一种渐变折射率的超构材料及其纠缠光子对产生系统技术方案

本发明专利技术提出的一种折射率渐变的超构材料及其纠缠光子对产生系统，属于量子信息领域。超构材料包括多个周期性排布的介质柱阵列，当满足以下条件：每行内，各介质柱的直径或宽度沿所在行呈规律性变化、各介质柱的周期沿所在行呈规律性变化或保持不变；每列内，介质柱直径、周期均保持不变时，超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零。纠缠光子对产生系统包括折射率渐变的超构材料、两个窄带连续可调谐激光器、两个偏振控制器、分束器、光放大器、陷波滤波器、带通滤波器、阵列波导光栅、单光子探测器和时间间隔分析仪。本发明专利技术从物理上实现了超构材料的折射率渐变，且与集成光学结合，具有低损耗、CMOS兼容的特性。

A Gradient Refractive Index Superstructure Material and Entangled Photon Pair Generation System

【技术实现步骤摘要】
一种渐变折射率的超构材料及其纠缠光子对产生系统
本专利技术涉及量子信息
，特别涉及一种折射率渐变的超构材料及其纠缠光子对产生系统。
技术介绍
量子信息科学是量子力学与信息科学相结合的产物，利用量子力学系统可实现新形式的通信、计算和测量。两个光子相互纠缠形成的纠缠光子对具有如下物理特性：当两个光子互相纠缠，无论这两个光子相距多远，通过对其中一个光子的测量都可以在瞬时得到另一个光子的状态。为了大规模的实现量子信息系统，亟需可靠、合算的纠缠光子源。进一步地，集成纠缠光子源可将光量子态的产生小型化并集成到芯片上，因此得到长足的发展。在集成量子光学中，产生纠缠光子的物理过程之一是非线性材料中的参量过程(比如自发四波混频)，其具有以下优点：纠缠度高、发射波长灵活、在室温下工作，因此得到了广泛的应用。常见基于自发四波混频的集成纠缠光子对发生器包括直纳米波导、微腔、螺旋波导(表1)，存在以下不足：泵浦功率高(耦合泵浦功率1mW时至多产生谱亮度～5×105s-1nm-1)、器件尺寸大(纠缠光子对发生器尺寸大于300μm2)。例如，对于直纳米波导，为了在一定失谐量(泵浦与闲置光子之间的波长差)内实现高转换效率，其长度要大于一定的相干长度(百毫米到厘米量级)。物理机制尺寸泵浦功率直纳米波导大高微腔中低螺旋波导中低表1.对比基于自发四波混频产生纠缠光子对的几种片上结构大部分超构材料是由亚波长单元结构排列在周期或准周期上的复合材料。通过工程设计超构材料的结构，其可呈现出自然界中不存在或不易获得的材料性质，包括负折射率、零折射率、光波段的磁响应等。目前，超构材料主要用于隐身、传感、成像、波束扫描和全息成像等领域。渐变折射率媒质的折射率沿光传播方向逐渐由正变负。当光波在渐变超构材料中以高透射率传播时，其对应的电场分量持续增大，并在折射率过零的区域发散。与常规局域场增强方法(包括介质透镜、Fabry-Pérot标准具、介质谐振腔、表面等离子体)相比，基于渐变折射率媒质的局域场增强具有损耗小、对场限制强的优点。但是，现有渐变折射率媒质仅仅是基于折射率连续变化的数学模型，还无法在物理上实现，具体体现在：实现渐变折射率媒质需要折射率接近零的材料，并且光必须能够从常规材料透射进该零折射率材料，而自然界中不存在符合这两个条件的材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种折射率渐变的超构材料及其纠缠光子对产生系统。本专利技术通过控制超构材料内各介质柱的排布及结构尺寸，使得超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零，由本专利技术超构材料构成的纠缠光子对产生系统具有泵浦功率低、尺寸小的优点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提出的一种渐变折射率的超构材料，其特征在于，包括多个周期性排布的介质柱阵列，各介质柱阵列呈矩形，均分别由多个间隔布设的介质柱组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形；将平行于介质柱阵列的行和列的方向分别作为x轴、y轴；所述介质柱阵列中，设该介质柱阵列沿y轴的周期保持不变，沿x轴的周期为ai，沿x轴的介质柱直径或宽度为di，且同一列介质柱中，各介质柱的周期相等、直径相等；对于第i列中的任意一个介质柱，规定该介质柱的几何中心与由第i列周期ai和沿y轴周期构成的矩形的几何中心重合；当ai和di分别满足以下关系式时，所述超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零：ai＝a0ηidi＝d0ηi其中，角标i为每一列介质柱的标号，i＝0，±1，±2，±3…，±n，n为不小于2的正整数，i＝0对应等效折射率的实部为零的列，且所述超构材料的等效折射率的实部在负到零之间变化时，介质柱的列号为正，所述超构材料的等效折射率的实部在零和正之间变化时，介质柱的列号为负；η为介质柱阵列沿x轴的缩放系数，0＜η＜1；a0为等效折射率的实部为零的列的周期，0.1λ0≤a0≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；d0为等效折射率的实部为零的列中各介质柱的直径，0.2a0≤d0≤a0。本专利技术提出的另一种渐变折射率的超构材料，其特征在于，包括多个周期性排布的介质柱阵列，各介质柱阵列均分别由多个间隔布设的介质柱组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形；将平行于介质柱阵列的行和列的方向分别作为x轴、y轴；设所有相邻两介质柱的中心间距均为a且保持不变，0.1λ0≤a≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；设介质柱沿x轴的直径或宽度为di，且同一列介质柱中，各介质柱的直径相等；当di满足以下关系式时，所述超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零：di＝d0ηi其中：角标i为每一列介质柱的标号，i＝0，±1，±2，±3…，±n，n为不小于2的正整数，i＝0对应等效折射率的实部为零的列，且所述超构材料的等效折射率的实部在负到零之间变化时，介质柱的列号为正，所述超构材料的等效折射率的实部在零到正之间变化时，介质柱的列号为负；η为介质柱阵列沿x轴的缩放系数，0＜η＜1；d0为等效折射率的实部为零的列中各介质柱的直径，本专利技术还提出一种由上述渐变折射率的超构材料构成的纠缠光子对产生系统，其特征在于，包括：第一窄带连续可调谐激光器和第二带连续可调谐激光器，分别用于产生不同波长的泵浦光；第一偏振控制器和第二偏振控制器，分别与所述第一窄带连续可调谐激光器和所述第二带连续可调谐激光器相连，用于将对应波长的泵浦光调节到上述折射率渐变的超构材料所对应的偏振态；分束器，同时与所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器的输出端相连，用于将两束泵浦光合并后输出；与所述分束器输出端依次相连的光放大器和陷波滤波器，分别用于将所述分束器输出的泵浦光放大，和抑制产生纠缠光子对波段的放大自发辐射噪声；位于所述陷波滤波器出射光路一侧的所述折射率渐变的超构材料，用于通过自发四波混频产生纠缠光子对；位于所述折射率渐变的超构材料出射光路一侧依次相连的带通滤波器、阵列波导光栅、单光子探测器和时间间隔分析仪；其中，所述带通滤波器用于滤除经折射率渐变的超构材料出射光中的部分泵浦光；所述阵列波导光栅用于将产生的纠缠光子对与另一部分泵浦光分隔；所述单光子探测器与时间间隔分析仪用于测量光子对符合计数率。本专利技术的特点及有益效果：本专利技术公布了一种渐变折射率媒质的物理实现方式：通过沿光传播方向逐渐改变片上狄拉克锥超构材料的单元结构尺寸来实现渐变折射率，且将狄拉克锥超构材料与集成光学结合，可在片上实现低损耗、CMOS兼容的渐变折射率超构材料。该方式基于全电介质结构，从而避免了欧姆损耗。该方式可将电场或磁场聚集到折射率过零的一条宽度无限窄的带状区域，极强地增强局域场。结合该局域场增强效应和非线性晶体较大的三阶非线性系数，可提高自发四波混频产生纠缠光子对的转换效率，实现低泵浦功率-紧凑集成纠缠光子对产生系统。附图说明图1是本专利技术实施例1的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为正-零-负。图2是本专利技术实施例1的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为正-零-正。图3是本专利技术实施例1的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为负-零-正。图4是本专利技术实施例1的一种折射率渐变的超构材料的结构示意图，其折射率为负-零-负。图5是本专利技术实施例2的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种渐变折射率的超构材料，其特征在于，包括多个周期性排布的介质柱阵列，各介质柱阵列呈矩形，均分别由多个间隔布设的介质柱组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形；将平行于介质柱阵列的行和列的方向分别作为x轴、y轴；所述介质柱阵列中，设该介质柱阵列沿y轴的周期保持不变，沿x轴的周期为ai，沿x轴的介质柱直径或宽度为di，且同一列介质柱中，各介质柱的周期相等、直径相等；对于第i列中的任意一个介质柱，规定该介质柱的几何中心与由第i列周期ai和沿y轴周期构成的矩形的几何中心重合；当ai和di分别满足以下关系式时，所述超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零：ai＝a0η

【技术特征摘要】
1.一种渐变折射率的超构材料，其特征在于，包括多个周期性排布的介质柱阵列，各介质柱阵列呈矩形，均分别由多个间隔布设的介质柱组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形；将平行于介质柱阵列的行和列的方向分别作为x轴、y轴；所述介质柱阵列中，设该介质柱阵列沿y轴的周期保持不变，沿x轴的周期为ai，沿x轴的介质柱直径或宽度为di，且同一列介质柱中，各介质柱的周期相等、直径相等；对于第i列中的任意一个介质柱，规定该介质柱的几何中心与由第i列周期ai和沿y轴周期构成的矩形的几何中心重合；当ai和di分别满足以下关系式时，所述超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零：ai＝a0ηidi＝d0ηi其中，角标i为每一列介质柱的标号，i＝0,±1,±2,±3…,±n，n为不小于2的正整数，i＝0对应等效折射率的实部为零的列，且所述超构材料的等效折射率的实部在负到零之间变化时，介质柱的列号为正，所述超构材料的等效折射率的实部在零和正之间变化时，介质柱的列号为负；η为介质柱阵列沿x轴的缩放系数，0＜η＜1；a0为等效折射率的实部为零的列的周期，0.1λ0≤a0≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；d0为等效折射率的实部为零的列中各介质柱的直径，0.2a0≤d0≤a0。2.一种渐变折射率的超构材料，其特征在于，包括多个周期性排布的介质柱阵列，各介质柱阵列均分别由多个间隔布设的介质柱组成，各介质柱的横截面为圆形或正多边形；将平行于介质柱阵列的行和列的方向分别作为x轴、y轴；设所有相邻两介质柱的中心间距均为a且保持不变，0.1λ0≤a≤λ0，λ0为自由空间中波长，λ0≥100nm；设介质柱沿x轴的直径或宽度为di，且同一列介质柱中，各介质柱的直径相等；当di满足以下关系式时，所述超构材料的等效折射率的实部逐渐由非零变到零再变到非零：di＝d0ηi其中：角标i为每一列介质柱的标号，i＝0,±1,±2,±3…,±n，n为不小于2的正整数，i＝0对应等效折射率的实部为零的列，且所述超构材料的等效折射率的实部在负到零之间变化时，介质柱的列号为正，所述超构材料的等效折射率的实部在零到正之间变化时，介质柱的列号为负；η为介质柱阵列沿x...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杨，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11