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可用于构建空海一体化量子网络的频率转换器件

批准号:
62105374
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
马飞
依托单位:
学科分类:
非线性光学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
马飞

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
未来,全球化的量子通信网络除了地面光纤和自由空间,还会涉及覆盖了地球面积71%的海洋。将自由空间量子通信和水下量子通信相结合,可以建立卫星或者飞行器与潜艇之间的保密通信,是实现海陆空一体化量子网络的关键一环。但自由空间通信常用的810nm在海水中的消光系数比水下低损耗的532nm大两个数量级,难以在海水中远距离传输。因此本申请书提出使用1550nm作为泵浦光,基于反质子交换PPLN波导,利用非线性和频过程实现两者的波长匹配。一方面,该过程的准相位匹配周期小,约6µm,超出了液体电极可以实现的范围,需要研究使用液体电极快速简易大面积实现铌酸锂小周期极化的新方案;另一方面,为了提高整体转换效率,需要研究反质子交换波导的功能性单元以实现高效的波导耦合与传输;进而构建从810nm到532nm的频率转换器件,以连接自由空间和水下量子通信过程,为空海一体化量子网络的构建,扫清工作波长不一致的障碍。
英文摘要
In the future, apart from optical fiber and free space, the channels of global quantum communication will involve seawater, which covers 71% of the earth after all. The combination of free-space quantum communication and underwater quantum communication can establish the secure communication between satellite or aircraft and submarine, which is the key to realize the integration of sea, land and air quantum networks. However, there is a clear bottleneck of frequency incompatibility. Specifically, the popular wavelength for free-space communication is 810nm, whereas the optimal spectral window for underwater communication is around 532nm. The photons at 810nm cannot penetrate deep in the seawater, wherein the extinction coefficient of 810nm is two orders of magnitude larger than that of 532nm. Therefore, in this proposal, based on the reverse-proton-exchanged (RPE) periodically poled lithium niobate (PPLN) waveguides, we suggest to use the nonlinear sum frequency generation (SFG) to overcome this difficulty. On the one hand, the required quasi-phase-matching period for the SFG process of 1550nm pump and 810nm signal is about 6µm, which is so small that a new poling scheme through liquid electrode is needed. On the other hand, the functional waveguide elements also need to be developed further to minimize the total loss so that improve the conversion efficiency. Finally, an integrated RPE PPLN waveguides chip will be designed and fabricated, achieving the wavelength shifting on the single-photon level from 850nm to 532nm, serving as a quantum interface connecting free-space communication and underwater communication, paving the way towards building the sea-air quantum networks in the near future.
基于铌酸锂的非线性频率转换在光量子信息领域中扮演着重要的角色。本项目通过设计合适的极化电压波形,使用金属铬电极在薄膜铌酸锂上实现了周期<7µm,产率为100%,占空比约为50%的周期性极化畴结构,并在5µm厚的铌酸锂薄膜刻蚀型波导中,演示了将适合自由空间量子通信的0.8µm波段的信号光以38%的整体转换效率上转换到适合水下量子通信的0.5µm波段的和频过程,验证了构建空海一体化量子网络的可行性。为了进一步发展频率转换在光量子信息领域中的应用,我们对600nm厚的铌酸锂薄膜中的频率转换也展开了研究。我们提出了一种低损、宽带、可使用紫外光刻制备的多层膜铌酸锂端面耦合器,可以在从0.8µm到2µm的超宽带范围内实现每个端面低于2dB的耦合损耗,为降低纳米薄膜波导中普遍存在较大的光纤-波导插损提供了新思路。我们提出了免刻蚀铌酸锂薄膜波导中的宽带低损的二次谐波产生过程,最大归一化转换效率达到222%W−1cm−2,带宽接近100nm,可以媲美目前最好的刻蚀型铌酸锂薄膜波导性能,为实现片上高效率的频率转换提供了新方案。为了解决纳米薄膜厚度不均匀的问题,切实提高功率转换效率,我们提出了自适应宽度波导的前处理解决方案,不仅具有设计简单、器件高产、单周期极化、满足当下制备工艺要求等优点,其功率转换效率比均匀波导提高了近6倍,超过了目前所有的报道。以上研究助力于解决周期性极化难、光纤-波导插损大、片上传输损耗高等问题,将基于铌酸锂的频率转换优势充分地在光量子信息领域中发挥出来,实现高效率、高集成度、低功耗、低噪声的频率转换器件。
褪黑素下调HIF-1α抑制Treg/Th17代谢重编程对NEC的保护机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    马飞
  • 依托单位:
国内基金
海外基金