PPKTP 晶體選擇指南

時間：2024-05-20 來源：新特光電訪問量：4043

PPKTP晶體

PPKTP晶體是一種準相位匹配晶體，可將一種波長的光轉換成另一種波長。這種晶體的最初目的很簡單：它被設計為通過二倍頻產生的激光系統的高效頻率轉換器。然而，隨著量子光學的最新進展，自發參量下轉換（SPDC）過程現已成為 PPKTP 的主要應用。

SPDC是一個將強泵浦光束轉換為相關光子對的過程，即信號和閑頻光。這些相關性是各種量子光源的基礎，例如預示單光子、時間能量或偏振糾纏光子對以及壓縮光。

雖然只考慮這些光源的量子特性很方便，但相互作用的非線性特性起著非常重要的作用。例如，在PPKTP中，可以完全控制相位匹配，使得：信號和閑頻信號具有相同的偏振（類型 0）或正交偏振（類型 2）、相同的波長（簡并）或不同的波長（非簡并），沿著泵浦光束的方向（共線）或以某個角度（非共線）發射。 type-0/type-2由輪詢周期決定，需要在制造階段確定，而簡并性和共線性可以通過溫度進行微調（為避免在異常溫度下工作，建議預先指定這些參數并調整輪詢周期）。

我們可以更深入地研究這些差異。偏振并不是在 0 型和 2 型相互作用之間變化的唯一光學性質；光譜帶寬、線對速率和溫度耐受性也不同。將 0 型和 2 型晶體作為偏振糾纏光子對的來源進行了比較。如圖所示。 1、Type-0 比 Type-2 寬得多，并且可以通過溫度調節實現非簡并。此外，作者報告說，0 型的電子對生成數（每納米）大約是 2 型的 10 倍。

比較 0 型和 2 型 ppKTP 晶體的光譜帶寬和簡并性。

圖 1：比較 0 型和 2 型 ppKTP 晶體的光譜帶寬和簡并性。

讓事情變得更復雜的是，KTP 晶體的色散和長度也會影響光譜帶寬和配對速率。較長的晶體以減少光譜帶寬為代價生成更多對，并且信號/閑頻光子在電信波長（~1550）下比在近紅外（~810）下寬得多。

所有這些示例都表明 PPKTP 是一種用途極其廣泛的組件，因此在選擇合適的晶體之前首先考慮每個應用的需求非常重要。下面我們介紹了 PPKTP 在各種應用中的一些最新用途，并提供了我們推薦的晶體。

玻色子采樣和量子干涉

在玻色子采樣中，量子光通常放置在大型干涉儀的輸入處，其中包括光束的多次分裂和重新組合。玻色子采樣依賴于量子干涉（紅歐曼德爾效應），因此受益于高光譜純度。 Fedrizzi小組做出了特別的努力，創造了1550nm高光譜純度的非周期極化晶體[2]，中國科大的光子量子霸權實驗也實現了類似的設計。 Xanadu和QuiX最近的量子計算工作在相同波長區域使用了PPKTP，因為這些波長的純度更高，并且與氮化硅等外圍平臺兼容。我們開發了一種設計和制造高光譜純度APKTP晶體的方法，用于接近 1550nm 群速度匹配點的玻色子采樣和量子干涉。

推薦晶體：Type-2 APKTP 或 PPKTP，溫度為 775->1550。 APKTP 提供更高的光譜純度，而 PPKTP 提供更高的配對率。

量子密鑰分配

PPKTP 作為偏振糾纏光子對的來源，在基于糾纏的 QKD 中發揮著重要作用。在這一領域，有許多可用的選項，具體取決于系統是針對自由空間還是光纖設計。一般來說，探測器效率和 405 nm 激光器的可用性通常會將這些應用推向 810 nm 的糾纏。 2 型晶體更易于使用，因為其線寬較窄，可以通過偏振分束器輕松分離信號和閑頻信號，并且對溫度具有魯棒性，而 0 型晶體更寬，并提供更高的成對率，使其成為理想的選擇復用QKD。

推薦晶體：0 型或 2 型 PPKTP，405->810。 Type-0 提供更高的配對速率和頻譜帶寬，而 Type-2 則易于使用。

擠壓光

壓縮光通常利用處于強泵浦狀態的晶體（與預示的單光子或偏振糾纏不同），并受益于強非線性響應，因此使 0 型晶體成為有利的選擇。例子包括 Furusawa 小組在 860nm 處具有 9dB 的壓縮，Schnabel 小組在 1064 和 1550nm 處演示了 15dB 和 13dB 的壓縮，而 Bowen 小組則使用前者演示了壓縮增強顯微鏡。壓縮光可以產生從 780nm（390nm 泵浦）到 3.8μm的任何波長，并且是具體應用的函數。

在選擇用于壓縮光應用的晶體時，研究人員應首先確定壓縮是在單程中還是在腔中產生。對于前者，標準晶體就足夠了，而對于最佳參量振蕩器，優選單片或半單片選項。

推薦晶體：0 型 ppKTP，可選半片或全單片。

使用未檢測到的光子成像

未檢測到的光子成像通常使用具有不同簡并度的 0 型晶體。對于基礎研究來說，能夠方便地檢測這兩個光子，而 Ramelow 小組在顯微鏡應用中產生可見光和中紅外閑頻信號。

推薦晶體：0 型 PPKTP，其周期專為非簡并性而設計。沒有比 Ramelow 的 660->800+3800 更好的例子了。

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了解 PPKTP 的強大功能

周期極化磷酸氧鈦鉀（PPKTP）晶體是一種鐵電非線性晶體，具有獨特的結構，有助于通過準相位匹配（QPM）進行高效的頻率轉換。該晶體由具有相反取向自發極化的交替疇組成，使 QPM 能夠校正非線性相互作用中的相位失配。該晶體適用于其透明范圍內的任何非線性過程的高效轉換。

特點

可在寬的透明窗口(0.4-3μm)內定制頻率轉換
高損傷閾值，保證了耐久性和可靠性
大的非線性系數(d33=16.9 pm/V)
晶體長度可達30毫米
可根據要求提供大孔徑(最大4 x 4 mm2)
可定制HR和AR涂層，提高性能和效率
可用于高光譜純度SPDC的非周期極化

PPKTP 的優勢

高效率: 由于能夠獲得最高的非線性系數，并且沒有空間走離，可以實現更高的轉換效率。
波長通用性: 使用PPKTP晶體可以在晶體的整個透明區域實現相位匹配。
可定制性: 可以設計 PPKTP 以滿足不同應用的特定需求。允許控制帶寬、溫度設定值和輸出極化。此外，它使涉及反向傳播的非線性相互作用成為可能。

常規應用

自發參量下轉換 (SPDC)是量子光學的主力，它從單個輸入光子 (ω 3→ ω 1 + ω 2 )生成糾纏光子對( ω 1 + ω 2 )。其他應用包括壓縮態生成、量子密鑰分發和重影成像。
二次諧波產生(SHG)使輸入光的頻率加倍(ω1 + ω1→ω2)，通常用于在1 μm左右的成熟激光器中產生綠光。
和頻產生(SFG)以輸入光場的和頻產生光(ω1 + ω2→ω3)。應用領域包括上轉換檢測、光譜學、生物醫學成像和傳感等。
差頻產生(DFG)產生的光頻率與輸入光場的頻率差 (ω1 - ω2→ω3) 相對應，為光學參量振蕩器(OPO)和光參量放大器(OPA)等廣泛應用提供了一種通用工具。這些通常用于光譜學、傳感和通信。
后向波光學參量振蕩器(BWOPO)通過將泵浦光子分裂為正向和反向傳播的光子(ωP→ωF + ωB)來實現高效率，從而允許在反傳播幾何中內部分布反饋。這樣可以實現穩定、緊湊且具有高轉換效率的DFG設計。