GB/T 48223-2026 周期极化铌酸锂量子频率转换器件性能测试方法

1 范围

本文件给出了周期极化铌酸锂量子频率转换器件(以下简称“器件”)的结构与性能表征内容,规定了测试环境与测试设备要求,描述了性能测试方法。

本文件适用于周期极化铌酸锂晶体以及基于该晶体制作的质子交换波导、金属扩散波导、薄膜脊型波导等光学非线性频率转换器件的性能参数测试。

2 规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T 15313—2008 激光术语

GB/T 43737—2024 量子测量术语

GB/T 43784—2024 单光子源性能表征及测量方法

3 术语和定义

GB/T 15313—2008、GB/T 43737—2024与 GB/T 43784—2024界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

量子频率转换 quantum frequency conversion

将一个波段的量子态转换为另一个波段的量子态,同时保持量子态统计特性不变的过程。

3.2

泵浦光 pump light

为实现非线性和频/差频过程提供泵浦的激光。

3.3

信号光 signal light

需要在泵浦光辅助下实现非线性和频/差频过程的光信号。

3.4

和频光 sum frequency light

通过器件实现和频转换后的光信号。

注:和频光的频率为信号光与泵浦光频率之和

3.5

差频光 difference frequency light

通过器件实现差频转换后的光信号。

注:差频光的频率为信号光与泵浦光频率之差的绝对值。

3.6

准相位匹配温度 quasi-phase matching temperature

器件进行和频/差频转换时,达到最大转换效率所需的工作温度

3.7

量子频率转换带宽 quantum frequency conversion bandwidth

器件进行和频/差频转换时,改变信号光波长,和频光/差频光功率达到最大值的一半时,对应信号光波长之差的绝对值。

3.8

量子频率转换效率 quantum frequency conversion efficiency

器件进行和频/差频转换时,输出和频光/差频光与输入信号光的光子数比值

3.9

量子频率转换噪声 quantum frequency conversion noise

器件进行和频/差频转换时,无信号光输入,仅注入泵浦光,经过滤波模块后,测量得到的归一化到1 nm 带宽的光子计数率。

3.10

概率性单光子源 probabilistic single-photon source

无法在未来任意指定时刻作为单光子源,但通过光子发射时的关联物理现象能确定某些时刻作为单光子源的光源。

[来源:GB/T 43784—2024,3.13]

3.11

二阶自相关函数 second-order autocorrelation function

两个时空点上光强度的统计关联特性

注:其数学表达涉及光强乘积的平均值计算,用于考察光的相干性。

3.12

量子态保持特性 quantum state preserving characteristic

器件进行和频/差频转换时,保持光场量子态统计特性不变的能力。

注:以概率性单光子源为例,验证器件的量子态保持特性时,需测试并绘制概率性单光子源经器件进行量子频率转换前后的二阶自相关函数直方图,以两个直方图中0延时对应的最小值的接近程度作为量子态保持特性的衡量标准;最小值均小于单光子判据0.5的前提下,两者越接近,证明量子频率转换过程中量子态保持越完好。

4 器件结构与性能表征内容

器件主要包括周期极化铌酸锂晶体或波导,及其配套使用的半导体制冷器、热敏电阻、机械外壳等组成部分,封装方式主要分为光纤耦合及自由空间耦合两类。典型器件结构见附录 A。

器件性能表征内容包括准相位匹配温度、量子频率转换带宽、量子频率转换效率、量子频率转换噪声、量子态保持特性,具体如下:

a) 准相位匹配温度:用于表征器件达到最大转换效率时的工作温度;

b) 量子频率转换带宽:用于表征器件的转换效率保持在最大值一半以上时,所对应的输入信号光波长范围;

c) 量子频率转换效率:用于表征器件将信号光转换成和频光/差频光的转换能力;
d) 量子频率转换噪声:用于表征器件量子频率转换时,泵浦光激发产生的噪声光子水平;
e) 量子态保持特性:用于表征器件量子频率转换时,保持光场量子态统计特性不变的能力。

5 测试环境要求

测试环境应满足以下要求:

a) 温度范围: 10^°C∼35^°C ;
b) 相对湿度:≤85%;

c) 振动和干扰:无影响测试工作的光噪声、明显气流、电磁辐射或机械振动。

6 测试设备要求

测试设备应满足以下要求:

a) 测试设备的量程覆盖被测器件参数范围;
b) 最大允许误差不大于被测参数最大允许误差的1/4;
c) 测试设备良好接地;
d) 测试使用的电源电压、纹波及电源噪声等满足试验设备说明书的使用要求。

7 性能测试方法

7.1 准相位匹配温度

准相位匹配温度测试步骤如下。

a) 按图1所示连接测试系统。
b) 选择相应的信号光与泵浦光,信号光与泵浦光均由可调谐恒功率连续单频线偏振光源产生。待其输出稳定后,用光谱分析仪和光功率计测试并记录器件输入端信号光与泵浦光的波长与功率。
c) 调节偏振控制元件,根据被测器件类型与准相位匹配类型,将信号光与泵浦光的偏振态调整至相应方向(如器件为基于 z 切薄膜的周期极化铌酸锂波导、0型准相位匹配,需将输入器件的信号光与泵浦光偏振方向均调整至平行于 z 轴,即e光偏振态)。
d) 采用温度控制精度不低于0.01 ℃的温控模块,以不超过5 ℃/min的调谐速率调节被测器件工作温度,直至光功率计探测到和频光/差频光功率最大值 P_outi 并记录此时的温度值 T_i
e) 保持b)中输入条件不变,重复测量 n(n ≥ 5) )次,按公式(1)~公式(2)分别计算 n 次测量数据的算术平均值,得到和频光/差频光功率最大值的平均值 P_out 和准相位匹配温度的平均值 T。

P_out = 1/n Σ_i=1ⁿ P_outi(1)

T = 1/n Σ_i=1ⁿ T_i(2)

式中:

P_out 和频光/差频光功率最大值的平均值,单位为毫瓦(mW);

n 测量次数;

P_outi 第 次测量的和频光/差频光功率最大值,单位为毫瓦(mW);

T ——— 准相位匹配温度的平均值,单位为摄氏度(℃);

T_i 第 i 次测量的准相位匹配温度,单位为摄氏度(℃)。

7.2 量子频率转换带宽

量子频率转换带宽测试步骤如下

a) 按图1所示连接测试系统,信号光与泵浦光均由可调谐恒功率连续单频线偏振光源产生,且功率应满足小信号近似条件。
b) 按7.1操作找到准相位匹配温度值、信号光匹配波长与和频光/差频光功率最大值。
c) 在信号光匹配波长附近扫描波长,扫描步进宜为0.01nm(可根据带宽测试精度需求调整),测量对应的和频光/差频光功率并将数据进行平滑处理,得出和频光/差频光功率为最大值一半时对应的、分别位于信号光匹配波长左右两端且最接近信号光匹配波长的信号光波长 λ_1i 与 λ_2i ,有效小数位数不低于2位。

d) 保持b)中输入条件不变,重复测量 n(n ≥5) )次,按公式(3)~公式(4)分别计算 n 次测量数据的算术平均值,得到和频光/差频光功率为最大值一半时对应的、分别位于信号光匹配波长左右两端且最接近信号光匹配波长的信号光波长 λ
1 与 λ₂ ;

λ₁ = 1/n Σ_i=1ⁿ λ_1i(3)

λ₂ = 1/n Σ_i=1ⁿ λ_2i(4)

式中:

λ₁ 和频光/差频光功率经平滑处理后得到拟合值,取最大拟合值的一半且最接近该值的两个信号光波长中的较大值的平均值,单位为纳米(nm);

n 测量次数;

λ_1i 第 次测量的和频光/差频光功率经平滑处理后得到拟合值,取最大拟合值的一半且最接近该值的两个信号光波长中的较大值,单位为纳米(nm);

λ₂ 和频光/差频光功率经平滑处理后得到拟合值,取最大拟合值的一半且最接近该值的两个信号光波长中的较小值的平均值,单位为纳米(nm);

λ_2i 第 次测量的和频光/差频光功率经平滑处理后得到拟合值,取最大拟合值的一半且最接近该值的两个信号光波长中的较小值,单位为纳米(nm)。

e) 按公式(5)计算 n 次测量数据的平均值,得到量子频率转换带宽 λ
FWHM 。

λ_FWHM = | λ₁ - λ₂ |(5)

式中:

λ_FWHM 被测器件的量子频率转换带宽,单位为纳米(nm)。

7.3 量子频率转换效率

量子频率转换效率测试步骤如下:

a) 按图1所示连接测试系统。
b) 按7.1操作找到准相位匹配温度值,逐步调节泵浦光功率,并调节温控模块,改变被测器件工作温度,直至光功率计探测到和频光/差频光功率最大值 P_outi ,记录 P_outi
c) 保持b)中输入条件不变,重复测量 n(n ≥ 5) 次,按公式(6)计算 n 次测量数据的算术平均值,得到和频光/差频光功率最大值的平均值 P_out ;

P_out = 1/n Σ_i=1ⁿ P_outi(6)

式中:

P_out 和频光/差频光功率最大值的平均值,单位为毫瓦(mW);

n 测量次数;

P_outi 第 次测量的和频光/差频光功率最大值,单位为毫瓦(mW)。

d) 用光谱分析仪测试并记录被测器件输出端和频光/差频光波长 λ_out

e) 按公式(7)计算出量子频率转换效率 η。 η

η = (P_out · λ_out)/(P_in · λ_in) ×100% (7)

式中:

η 被测器件的量子频率转换效率;

P_in 被测器件输入端信号光的功率,单位为毫瓦(mW);

λ_in 被测器件输入端信号光的波长,单位为纳米(nm);

λ_out 被测器件输出端和频光/差频光的波长,单位为纳米(nm)。

7.4 量子频率转换噪声

量子频率转换噪声测试步骤如下。

a) 按图2所示连接测试系统。
b) 打开信号光与泵浦光,使用光衰减器将输入信号光的光子计数率标定至 1 × 10⁶ 计数 /s, ,以便在效率测试中提供参考点。
c) 调节偏振控制元件,根据被测器件种类与准相位匹配类型,将信号光与泵浦光的偏振态调整至相应方向。
d) 调节温控模块,改变被测器件工作温度,使单光子探测器探测到的和频光/差频光的光子计数率达到最大值。
e) 保持泵浦光与温控模块状态不变,关闭信号光,记录器件在一定频率转换效率时的探测器计数率 C_1i 。
f) 保持温控模块状态不变,关闭泵浦光,记录此时的探测器本底噪声计数率 C_2i
g) 保持b)中输入条件不变,重复测量 n(n ≥ 5) 次,按公式(8)和公式(9)分别计算 n 次测量数据的算术平均值,得到器件在该频率转换效率下的探测器计数率的平均值 C₁ 与探测器本底噪声计数率的平均值 C₂

C₁ = 1/n Σ_i=1ⁿ C_1i(8)

C₂ = 1/n Σ_i=1ⁿ C_2i(9)

式中:

C₁ 器件在特定的频率转换效率下,关闭信号光后只输入泵浦光时的单光子探测器计数率的平均值,单位为计数每秒(计数 /s) ;

n 测量次数;

C_1i 第 次测量的器件在特定的频率转换效率下,关闭信号光后只输入泵浦光时的单光子探测器计数率,单位为计数每秒(计数 /s)

C₂ 单光子探测器本底噪声计数率的平均值,单位为计数每秒(计数 /s)

C_2i 第 次测量的单光子探测器本底噪声计数率,单位为计数每秒(计数 /s)

h) 根据单光子探测器的探测效率 σ₁ 、带通滤波模块的通光效率 σ₂ 、带通滤波模块的带宽 λ_b ,按公式(10)计算出量子频率转换噪声 N

N = (C₁ - C₂)/(σ₁ · σ₂ · λ_b)(10)

式中:

N 被测器件所组成系统在特定滤波条件下,归一化到1 nm 带宽的噪声光子计数率,单位为计数每秒纳米[计数 /(s · nm) ;

σ₁ 单光子探测器的探测效率;

σ₂ 带通滤波模块的通光效率;

λ_b 带通滤波模块的带宽,单位为纳米(nm)。

7.5 量子态保持特性

量子态保持特性测试步骤如下

a) 测试概率性单光子源二阶自相关函数,按图3所示连接测试系统,确保s通道中心波长在器件频率转换带宽范围内,本测试方法采用基于纠缠光子对的预报单光子源作为概率性单光子源的代表,其测试原理和判定准则同样适用于其他类型的概率性单光子源;测试所用概率性单光子源的符合-偶然符合计数比(CAR值)宜不低于10,实验过程中应通过优化测试光路传输效率或延长积分时间来获得足够的数据量,以保证所绘制的概率性单光子源频率转换前后的二阶自相关函数 g_H⁽²⁾(τ) )与为 g_HQFC⁽²⁾(τ) )的直方图在非零延时区数据平坦并接近理想值1。
b) 打开预报单光子源,调节可调谐滤波器,使i通道中心频率与s通道中心频率关于纠缠光子对的中心频率对称,将i通道可调谐滤波器带宽设置与密集波分复用器带宽相同,即s通道与i通道光谱对应。
c) 运行时间相关单光子计数器程序,在门宽大于测试单元时间抖动的条件下(宜将时间相关单光子计数器门宽设置为系统各通道总时间抖动的2倍~3倍),分别试验得到i通道计数率 C_i 、s1通道与i通道0延时的符合计数率 C_sli(0) 、s2 通道与i通道的符合计数率 C_s2i(τ) )以及s1通道、s2通道与i通道的三通道符合计数率 C_ssi(τ)
d) 根据公式(11)计算概率性单光子源的二阶自相关函数 g_H⁽²⁾(τ) ,得到横坐标为 τ,纵坐标轴为 g_H⁽²⁾(τ) 的直方图,记录0延时对应的最低值 g_H⁽²⁾(0) ),确认 g_H⁽²⁾(0) 小于单光子判据0.5,表明该

预报单光子源多光子事件受到抑制,光子对关联纯度高,具备优异的非经典量子关联输出特性。

g_H⁽²⁾ (τ) = (C_ssi (τ) cdotC_i)/(C_sli (0) cdotC_s2i (τ))(11)

式中:

g_H⁽²⁾(τ) 概率性单光子源的二阶自相关函数;

C_i i通道的计数率,单位为计数每秒(计数 /s)

C_sli(0) s1通道和i通道的0延时双通道符合计数率,单位为计数每秒(计数/s);

C_s2i(τ) -s2 通道和i通道的双通道符合计数率,单位为计数每秒(计数/s);

C_ssi(τ) ——s1 通道、 s2 通道和i通道的三通道符合计数率,单位为计数每秒(计数/s)。

e) 测试概率性单光子源经过频率转换(和频/差频)后的二阶自相关函数,按图4所示连接测试系统,确保s通道中心波长在器件频率转换带宽范围内。
f) 打开预报单光子源,调节可调谐滤波器,使i通道中心频率与s通道中心频率关于纠缠光子对中 心 频率对称,将i通道可调谐滤波器带宽设置与密集波分复用器带宽相同,即s通道与i通道光谱对应。
g) 打开泵浦光,调节温控模块,直至s1通道、 s2 通道单光子探测器探测到和频光/差频光的光子计数率达到最大。
h) 运行时间相关单光子计数器程序,在与频率转换前二阶自相关函数测试相同的门宽条件下分别试验得到i通道的计数率 C_i 、s1 通道与i通道0延时符合计数率 C_sli(0) 、s2通道与i通道的符合计数率 C_s2i(τ) ),以及s1通道、s2通道与i通道的三通道符合计数率 C_ssi(τ)
i) 根据公式(12)计算概率性单光子源经过频率转换(和频/差频)后的二阶自相关函数 g⁽²⁾_HQFC (τ) ,得到横坐标为 τ,纵坐标轴为 g_HQFC⁽²⁾(τ) 的直方图,记录 0 延时的最低值 g_HQFC⁽²⁾(0) ),确认 g_HQFC⁽²⁾(0) 小于单光子判据0.5,表明频率转换过程未引入显著多光子噪声,纠缠光子的量子关联特性得到有效保持:

g_HQFC⁽²⁾ (τ) = (C_ssi (τ) cdotC_i)/(C_sli (0) cdotC_s2i (τ))(12)

式中:

g_HQFC⁽²⁾(τ) 概率性单光子源经过频率转换(和频/差频)后的二阶自相关函数;

C_i i通道的计数率,单位为计数每秒(计数/s);

C_sli(0) s1通道和i通道的0延时双通道符合计数率,单位为计数每秒(计数/s);

C_s2i(τ) s2通道和i通道的双通道符合计数率,单位为计数每秒(计数/s);

C_ssi(τ) s1通道、 s2 通道和i通道的三通道符合计数率,单位为计数每秒(计数/s)。

8 测试报告

测试报告应包含以下内容:

a) 测试报告的唯一编号;
b) 被测器件的型号和序列号;
c) 测试内容及要求;
d) 测试仪器的型号和工作条件;
e) 测试结果以及必要的结果说明;
f) 测试日期;
g) 测试人员及审核人员签字;
h) 测试单位名称及地址;
i) 测试报告页码。

测试报告记录信息模板见附录 B

附录 A (资料性)

典型周期极化铌酸锂量子频率转换器件结构

典型周期极化铌酸锂量子频率转换器件结构见图 A.1。

附录 B (资料性)

测试报告记录信息

测试报告记录信息见表 B.1。

序号	项目	内容
1	报告编号
2	待测器件型号
3	待测器件状态
4	测试内容与要求
5	测试仪器	光功率计型号
		光谱仪型号
		单光子探测器型号
		时间相关单光子计数器型号
6	测试环境	相对湿度
		温度
		温度波动范围
		洁净度
7	测试结果
7.1	准相位匹配温度	信号光波长
		信号光功率
		泵浦光波长
		泵浦光功率
		最大和频光/差频光功率
		准相位匹配温度
7.2	量子频率转换带宽	泵浦光波长
		对应最大和频光/差频光功率二分之一的信号光波长较小值
		对应最大和频光/差频光功率二分之一的信号光波长较大值
		量子频率转换带宽
7.3	量子频率转换效率	信号光波长
		信号光功率
		和频光/差频光波长
		最大和频光/差频光功率
		量子频率转换效率

序号	项目	内容
7.4	量子频率转换噪声	器件在一定的量子频率转换效率下,只输入泵浦光的单光子探测器噪声计数率
		单光子探测器本底噪声计数率
		单光子探测器探测效率
		带通滤波模块通光效率
		带通滤波模块带宽
		量子频率转换噪声
7.5	量子态保持特性	概率性单光子源二阶自相关函数0延时最小值
		概率性单光子源经过频率转换(和频/差频)后二阶自相关函数0延时最小值
测试人姓名: 测试单位: 测试单位(公章): 测试单位联系电话: 审核人姓名: 测试日期: 报告书共 页

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