PPKTP晶體是一種準(zhǔn)相位匹配晶體，可將一種波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換成另一種波長(zhǎng)。這種晶體的最初目的很簡(jiǎn)單：它被設(shè)計(jì)為通過二倍頻產(chǎn)生的激光系統(tǒng)的高效頻率轉(zhuǎn)換器。然而，隨著量子光學(xué)的最新進(jìn)展，自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）過程現(xiàn)已成為 PPKTP 的主要應(yīng)用。

SPDC是一個(gè)將強(qiáng)泵浦光束轉(zhuǎn)換為相關(guān)光子對(duì)的過程，即信號(hào)和閑頻光。這些相關(guān)性是各種量子光源的基礎(chǔ)，例如預(yù)示單光子、時(shí)間能量或偏振糾纏光子對(duì)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(hào)和閑頻信號(hào)具有相同的偏振（類型 0）或正交偏振（類型 2）、相同的波長(zhǎng)（簡(jiǎn)并）或不同的波長(zhǎng)（非簡(jiǎn)并），沿著泵浦光束的方向（共線）或以某個(gè)角度（非共線）發(fā)射。 type-0/type-2由輪詢周期決定，需要在制造階段確定，而簡(jiǎn)并性和共線性可以通過溫度進(jìn)行微調(diào)（為避免在異常溫度下工作，建議預(yù)先指定這些參數(shù)并調(diào)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(xué)性質(zhì)；光譜帶寬、線對(duì)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(duì)的來源進(jìn)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(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)非簡(jiǎn)并。此外，作者報(bào)告說，0 型的電子對(duì)生成數(shù)（每納米）大約是 2 型的 10 倍。

圖 1：比較 0 型和 2 型 ppKTP 晶體的光譜帶寬和簡(jiǎn)并性。

讓事情變得更復(fù)雜的是，KTP 晶體的色散和長(zhǎng)度也會(huì)影響光譜帶寬和配對(duì)速率。較長(zhǎng)的晶體以減少光譜帶寬為代價(jià)生成更多對(duì)，并且信號(hào)/閑頻光子在電信波長(zhǎng)（~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(gè)應(yīng)用的需求非常重要。下面我們介紹了 PPKTP 在各種應(yīng)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(yīng)），因此受益于高光譜純度。 Fedrizzi小組做出了特別的努力，創(chuàng)造了1550nm高光譜純度的非周期極化晶體[2]，中國(guó)科大的光子量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)也實(shí)現(xiàn)了類似的設(shè)計(jì)。 Xanadu和QuiX最近的量子計(jì)算工作在相同波長(zhǎng)區(qū)域使用了PPKTP，因?yàn)檫@些波長(zhǎng)的純度更高，并且與氮化硅等外圍平臺(tái)兼容。 我們開發(fā)了一種設(shè)計(jì)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(diǎn)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(duì)率。

量子密鑰分配

PPKTP 作為偏振糾纏光子對(duì)的來源，在基于糾纏的 QKD 中發(fā)揮著重要作用。在這一領(lǐng)域，有許多可用的選項(xiàng)，具體取決于系統(tǒng)是針對(duì)自由空間還是光纖設(shè)計(jì)。一般來說，探測(cè)器效率和 405 nm 激光器的可用性通常會(huì)將這些應(yīng)用推向 810 nm 的糾纏。 2 型晶體更易于使用，因?yàn)槠渚€寬較窄，可以通過偏振分束器輕松分離信號(hào)和閑頻信號(hào)，并且對(duì)溫度具有魯棒性，而 0 型晶體更寬，并提供更高的成對(duì)率，使其成為理想的選擇復(fù)用QKD。

推薦晶體：0 型或 2 型 PPKTP，405->810。 Type-0 提供更高的配對(duì)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(qiáng)泵浦狀態(tài)的晶體（與預(yù)示的單光子或偏振糾纏不同），并受益于強(qiáng)非線性響應(yīng)，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(qiáng)顯微鏡。壓縮光可以產(chǎn)生從 780nm（390nm 泵浦）到 3.8μm的任何波長(zhǎng)，并且是具體應(yīng)用的函數(shù)。

在選擇用于壓縮光應(yīng)用的晶體時(shí)，研究人員應(yīng)首先確定壓縮是在單程中還是在腔中產(chǎn)生。對(duì)于前者，標(biāo)準(zhǔn)晶體就足夠了，而對(duì)于最佳參量振蕩器，優(yōu)選單片或半單片選項(xiàng)。

推薦晶體：0 型 ppKTP，可選半片或全單片。

使用未檢測(cè)到的光子成像

未檢測(cè)到的光子成像通常使用具有不同簡(jiǎn)并度的 0 型晶體。對(duì)于基礎(chǔ)研究來說，能夠方便地檢測(cè)這兩個(gè)光子，而 Ramelow 小組在顯微鏡應(yīng)用中產(chǎn)生可見光和中紅外閑頻信號(hào)。

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

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了解 PPKTP 的強(qiáng)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(dú)特的結(jié)構(gòu)，有助于通過準(zhǔn)相位匹配（QPM）進(jìn)行高效的頻率轉(zhuǎn)換。該晶體由具有相反取向自發(fā)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(nèi)的任何非線性過程的高效轉(zhuǎn)換。

特點(diǎn)

• 可在寬的透明窗口(0.4-3μm)內(nèi)定制頻率轉(zhuǎn)換

• 高損傷閾值，保證了耐久性和可靠性

• 大的非線性系數(shù)(d33=16.9 pm/V)

• 晶體長(zhǎng)度可達(dá)30毫米

• 可根據(jù)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(yōu)勢(shì)

• 高效率: 由于能夠獲得最高的非線性系數(shù)，并且沒有空間走離，可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。

• 波長(zhǎng)通用性: 使用PPKTP晶體可以在晶體的整個(gè)透明區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相位匹配。

• 可定制性: 可以設(shè)計(jì) PPKTP 以滿足不同應(yīng)用的特定需求。允許控制帶寬、溫度設(shè)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(guī)應(yīng)用

• 自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換 (SPDC)是量子光學(xué)的主力，它從單個(gè)輸入光子 (ω 3→ ω 1 + ω 2 )生成糾纏光子對(duì)( ω 1 + ω 2 )。其他應(yīng)用包括壓縮態(tài)生成、量子密鑰分發(fā)和重影成像。

• 二次諧波產(chǎn)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(chǎn)生綠光。

• 和頻產(chǎn)生(SFG)以輸入光場(chǎng)的和頻產(chǎn)生光(ω1 + ω2→ω3)。應(yīng)用領(lǐng)域包括上轉(zhuǎn)換檢測(cè)、光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像和傳感等。

• 差頻產(chǎn)生(DFG)產(chǎn)生的光頻率與輸入光場(chǎng)的頻率差 (ω1 - ω2→ω3) 相對(duì)應(yīng)，為光學(xué)參量振蕩器(OPO)和光參量放大器(OPA)等廣泛應(yīng)用提供了一種通用工具。這些通常用于光譜學(xué)、傳感和通信。

• 后向波光學(xué)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(shí)現(xiàn)高效率，從而允許在反傳播幾何中內(nèi)部分布反饋。這樣可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、緊湊且具有高轉(zhuǎn)換效率的DFG設(shè)計(jì)。

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3. 輸入和輸出偏振

4. 晶體長(zhǎng)度（X：最長(zhǎng) 30 毫米）

5. 光學(xué)孔徑（W x Z：最大 4 x 4 mm2）

6. AR/HR 涂層