一种基于冷原子存储的比例可调的单光子分束器
技术领域：
本发明涉及一种基于冷原子存储的比例可调的单光子分束器，属于光信息技术领域。
背景技术：
分束器是光学领域常用的装置，其作用是将输入的光信号进行分配，沿所需的方向输出。现有的分束器主要有两种，包括空间上的分束器，能够将光分成两路或多路，比如偏振分光棱镜(PBS)、分光棱镜(BS)、光纤分束器等；以及时间上的分束器，将光在时间上分开，通常采用基于电磁诱导透明(EIT)的方案实现。空间上的分束器，通常只能分离强光，而时间上的分束器，不仅能分离强光，还能实现单光子级别的分束。但是，采用基于电磁诱导透明(EIT)的方案的时间分束器，其频域上的带宽较窄，通常在10MHz以下。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，不同于EIT方案，本发明采用拉曼(Raman)方案，提供了一种基于冷原子存储的比例可调的单光子分束器，其结构简单，带宽可以达到100MHz，且分束比例可根据需要进行调节。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
提供一种基于冷原子存储的比例可调的单光子分束器，包括：
二维磁光阱1，用于接收待分束的第一光信号2a；耦合光束3，入射至所述二维磁光阱1。
优选的，通过控制所述耦合光束3的开关时间来调节所述二维磁光阱1的存储时间，进而调节所述第一光信号2a的存储部分光子数与泄露部分光子数的比例。
优选的，通过声光调制器4来控制所述耦合光束3的开关。
优选的，所述第一光信号2a为单光子光源。
优选的，所述第一光信号2a在进入所述二维磁光阱1之前以及离开所述二维磁光阱1之后，分别需要经过第一凸透镜5a和第二凸透镜5b进行光路收束。
优选的，所述二维磁光阱1中囚禁有碱金属原子团。
优选的，还可以通过控制所述碱金属原子团的光学厚度来对分束比例进行调节。
优选的，所述碱金属原子团为铷原子团或铯原子团。
本发明的优势在于：
提供了一种结构简单，易于构建，带宽远远大于现有时间分束器的单光子级别的分束器，且其分束比例可通过多种方式按需要进行调节。
附图说明：
图1单光子分束器结构示意图
附图标记说明：
1：二维磁光阱 2a：第一光信号 2b：第二光信号 3：耦合光束
4：声光调制器 5a：第一凸透镜 5b：第二凸透镜
具体实施方式：
为了能清楚说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例，并结合其附图，对本发明的分束器进行详细阐述。
实施例
如图1所示，为本发明单光子分束器结构示意图，包括一个二维磁光阱1，二维磁光阱1中囚禁有碱金属原子团，碱金属原子团可以是铷85原子团或铯原子团，二维磁光阱1就是一个拉曼存储器，在量子信息同步中用作量子设备的量子存储器可以使光子脉冲在时间域上分离，其中分离的时间间隔和幅度可以任意配置，因此又称为动力学可控的时间分束器。在这里，本发明利用拉曼存储器(即二维磁光阱1)作为存储器型分束器，当存储效率小于1时，可以将单光子波包分为原子和光子部分。待分束的第一光信号2a为单光子，第一光信号2a经过第一凸透镜5a收束后入射至光学厚度为35的二维磁光阱1，耦合光束3与第一光信号2a成一定夹角入射至二维磁光阱1，耦合光束3的开关受声光调制器4调制，采用任意函数发生器可以产生输入射频信号，通过调节输入射频信号的参数来对声光调制器进行调制。耦合光束3的拉比频率为Ω＝2π×20.61MHz，束腰为2mm，绝热地关断耦合光束3，经过一段可控的存储时间(例如200n s)后，第一光信号2a被存储器型分束器M-BS(即二维磁光阱1)分为两部分，泄漏部分和存储部分，第一光信号2a具有以下状态：
在这里，ηcon是存储器型分束器M-BS(即二维磁光阱1)中的第一光信号2a到自旋波的转换效率，η＝ηconηstored，是第一光信号2a在二维磁光阱1中的总存储效率，包括第一光信号2a转换为自旋波的效率ηcon和自旋波恢复为光激发的效率ηstored。式(1)中的右边两项表示在量子存储过程中分别对应于泄漏部分|L>和存储部分|R>的分裂状态，系数
泄漏部分光子数和存储部分光子数的比例(即单光子分束器的分束比例)与存储时间相关，存储时间越短，存储部分光子数所占比例越高；存储时间越长，泄露部分光子数所占比例越高。通过声光调制器4的控制，再次打开耦合光束3，将第一光信号2a输出为第二光信号2b。此时，第二光信号2b在时间上被分为两部分，且带宽可达到100MHz。第二光信号2b从二维磁光阱1出来以后，经过第二凸透镜5b收束。因此，我们可以通过控制二维磁光阱1的存储时间来对分束比例(泄漏部分光子数和存储部分光子数的比例)进行调节。第一凸透镜5a和第二凸透镜5b的焦距均为300mm，本发明中凸透镜的作用都是为了使光路收束，增强光与原子团的相互作用，得到更高的信噪比。
此外，由于泄漏部分光子数和存储部分光子数的比例与拉曼存储效率密切相关，而拉曼存储效率又强烈地依赖于原子团的光学厚度，因此，我们还可以通过控制原子团的光学厚度来控制拉曼存储效率，从而对分束比例进行调节。原子团光学厚度的调节可以通过调节二维磁光阱1中回泵光的功率来实现，回泵光为二维磁光阱的常规组成部分，此处不再赘述。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本领域技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或者变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
