PPKTP 晶体选择指南

PPKTP晶体是一种准相位匹配晶体，可将一种波长的光转换成另一种波长。这种晶体的最初目的很简单：它被设计为通过二倍频产生的激光系统的高效频率转换器。然而，随着量子光学的最新进展，自发参量下转换（SPDC）过程现已成为 PPKTP 的主要应用。

SPDC是一个将强泵浦光束转换为相关光子对的过程，即信号和闲频光。这些相关性是各种量子光源的基础，例如预示单光子、时间能量或偏振纠缠光子对以及压缩光。

虽然只考虑这些光源的量子特性很方便，但相互作用的非线性特性起着非常重要的作用。例如，在PPKTP中，可以完全控制相位匹配，使得：信号和闲频信号具有相同的偏振（类型 0）或正交偏振（类型 2）、相同的波长（简并）或不同的波长（非简并），沿着泵浦光束的方向（共线）或以某个角度（非共线）发射。 type-0/type-2由轮询周期决定，需要在制造阶段确定，而简并性和共线性可以通过温度进行微调（为避免在异常温度下工作，建议预先指定这些参数并调整轮询周期）。

我们可以更深入地研究这些差异。偏振并不是在 0 型和 2 型相互作用之间变化的唯一光学性质；光谱带宽、线对速率和温度耐受性也不同。 将 0 型和 2 型晶体作为偏振纠缠光子对的来源进行了比较。如图所示。 1、Type-0 比 Type-2 宽得多，并且可以通过温度调节实现非简并。此外，作者报告说，0 型的电子对生成数（每纳米）大约是 2 型的 10 倍。

图 1：比较 0 型和 2 型 ppKTP 晶体的光谱带宽和简并性。

让事情变得更复杂的是，KTP 晶体的色散和长度也会影响光谱带宽和配对速率。较长的晶体以减少光谱带宽为代价生成更多对，并且信号/闲频光子在电信波长（~1550）下比在近红外（~810）下宽得多。

所有这些示例都表明 PPKTP 是一种用途极其广泛的组件，因此在选择合适的晶体之前首先考虑每个应用的需求非常重要。下面我们介绍了 PPKTP 在各种应用中的一些最新用途，并提供了我们推荐的晶体。

玻色子采样和量子干涉

在玻色子采样中，量子光通常放置在大型干涉仪的输入处，其中包括光束的多次分裂和重新组合。玻色子采样依赖于量子干涉（红欧曼德尔效应），因此受益于高光谱纯度。 Fedrizzi小组做出了特别的努力，创造了1550nm高光谱纯度的非周期极化晶体[2]，中国科大的光子量子霸权实验也实现了类似的设计。 Xanadu和QuiX最近的量子计算工作在相同波长区域使用了PPKTP，因为这些波长的纯度更高，并且与氮化硅等外围平台兼容。 我们开发了一种设计和制造高光谱纯度APKTP晶体的方法，用于接近 1550nm 群速度匹配点的玻色子采样和量子干涉。

推荐晶体：Type-2 APKTP 或 PPKTP，温度为 775->1550。 APKTP 提供更高的光谱纯度，而 PPKTP 提供更高的配对率。

量子密钥分配

PPKTP 作为偏振纠缠光子对的来源，在基于纠缠的 QKD 中发挥着重要作用。在这一领域，有许多可用的选项，具体取决于系统是针对自由空间还是光纤设计。一般来说，探测器效率和 405 nm 激光器的可用性通常会将这些应用推向 810 nm 的纠缠。 2 型晶体更易于使用，因为其线宽较窄，可以通过偏振分束器轻松分离信号和闲频信号，并且对温度具有鲁棒性，而 0 型晶体更宽，并提供更高的成对率，使其成为理想的选择复用QKD。

推荐晶体：0 型或 2 型 PPKTP，405->810。 Type-0 提供更高的配对速率和频谱带宽，而 Type-2 则易于使用。

挤压光

压缩光通常利用处于强泵浦状态的晶体（与预示的单光子或偏振纠缠不同），并受益于强非线性响应，因此使 0 型晶体成为有利的选择。例子包括 Furusawa 小组在 860nm 处具有 9dB 的压缩，Schnabel 小组在 1064 和 1550nm 处演示了 15dB 和 13dB 的压缩，而 Bowen 小组则使用前者演示了压缩增强显微镜。压缩光可以产生从 780nm（390nm 泵浦）到 3.8μm的任何波长，并且是具体应用的函数。

在选择用于压缩光应用的晶体时，研究人员应首先确定压缩是在单程中还是在腔中产生。对于前者，标准晶体就足够了，而对于最佳参量振荡器，优选单片或半单片选项。

推荐晶体：0 型 ppKTP，可选半片或全单片。

使用未检测到的光子成像

未检测到的光子成像通常使用具有不同简并度的 0 型晶体。对于基础研究来说，能够方便地检测这两个光子，而 Ramelow 小组在显微镜应用中产生可见光和中红外闲频信号。

推荐晶体：0 型 PPKTP，其周期专为非简并性而设计。没有比 Ramelow 的 660->800+3800 更好的例子了。

我们将尝试定期更新此列表，因此请时常访问此页面！

了解 PPKTP 的强大功能

周期极化磷酸氧钛钾（PPKTP）晶体是一种铁电非线性晶体，具有独特的结构，有助于通过准相位匹配（QPM）进行高效的频率转换。该晶体由具有相反取向自发极化的交替畴组成，使 QPM 能够校正非线性相互作用中的相位失配。该晶体适用于其透明范围内的任何非线性过程的高效转换。

特点

• 可在宽的透明窗口(0.4-3µm)内定制频率转换

• 高损伤阈值，保证了耐久性和可靠性

• 大的非线性系数(d33=16.9 pm/V)

• 晶体长度可达30毫米

• 可根据要求提供大孔径(最大4 x 4 mm2)

• 可定制HR和AR涂层，提高性能和效率

• 可用于高光谱纯度SPDC的非周期极化

PPKTP 的优势

• 高效率: 由于能够获得最高的非线性系数，并且没有空间走离，可以实现更高的转换效率。

• 波长通用性: 使用PPKTP晶体可以在晶体的整个透明区域实现相位匹配。

• 可定制性: 可以设计 PPKTP 以满足不同应用的特定需求。允许控制带宽、温度设定值和输出极化。此外，它使涉及反向传播的非线性相互作用成为可能。

常规应用

• 自发参量下转换 (SPDC)是量子光学的主力，它从单个输入光子 (ω 3→ ω 1 + ω 2 )生成纠缠光子对( ω 1 + ω 2 )。其他应用包括压缩态生成、量子密钥分发和重影成像。

• 二次谐波产生(SHG)使输入光的频率加倍(ω1 + ω1→ω2)，通常用于在1 μm左右的成熟激光器中产生绿光。

• 和频产生(SFG)以输入光场的和频产生光(ω1 + ω2→ω3)。应用领域包括上转换检测、光谱学、生物医学成像和传感等。

• 差频产生(DFG)产生的光频率与输入光场的频率差 (ω1 - ω2→ω3) 相对应，为光学参量振荡器(OPO)和光参量放大器(OPA)等广泛应用提供了一种通用工具。这些通常用于光谱学、传感和通信。

• 后向波光学参量振荡器(BWOPO)通过将泵浦光子分裂为正向和反向传播的光子(ωP→ωF + ωB)来实现高效率，从而允许在反传播几何中内部分布反馈。这样可以实现稳定、紧凑且具有高转换效率的DFG设计。

订购信息

1. 请提供以下信息以获取报价：

2. 所需的工艺：输入波长和输出波长

3. 输入和输出偏振

4. 晶体长度（X：最长 30 毫米）

5. 光学孔径（W x Z：最大 4 x 4 mm2）

6. AR/HR 涂层