【资讯】超紧凑硅光子晶体波导中相关光子对的产生

　　超紧凑硅光子晶体波导中相关光子对的产生

　　Christelle

　　Michael

　　1澳大利亚悉尼大学物理学院光学系统超高带宽设备中心 (CUDOS)，新南威尔士州 2006.澳大利亚

　　2 里昂纳米技术研究所，里昂中央理工学院，36 Avenue Guy de Collongue，69134 Ecully，法国

　　3 布里斯托尔大学量子光子学中心，Queens Building，University Walk，布里斯托尔，BS8 1TR，英国

　　4 CUDOS，麦考瑞大学物理与天文系，新南威尔士州 2109.澳大利亚

　　5 圣安德鲁斯大学物理与天文学院，法夫，KY16 9SS，英国

　　Christelle.Monat@ec-lyon.frfr

　　摘要：我们从 80 µm 长的色散工程硅光子晶体波导中生成电信波段的相关光子对。产生光子对的自发四波混合过程通过慢光传播得到增强。

OCIS 代码：(130.5296) 光子晶体波导；(270.5585) 量子信息和处理。

　　人们正在深入研究用于量子安全通信 [1] 等新兴量子技术的光学元件集成。低损耗电信频段的明亮、高效且可触发的单光子源是许多应用的关键要求。一种常见的策略是使用自发非线性过程生成相关光子对，其中一个光子的检测“预示”另一个光子的到来。由于非线性对生成是随机的，因此在此类设备中实现可扩展性将需要在片上集成许多相同的对源，从而允许并行生成许多光子[2]。然后必须将这些光子路由以用于量子逻辑门或通信协议。针对此类光源研究的架构包括分别使用 3 波和 4 波混频的周期性极化铌酸锂 (PPLN) 波导 [3] 和硫属化物玻璃波导 [4]。此类光源的缺点有很多，包括主动温度控制和模式匹配(PPLN)，以及对光子统计(硫族化物)产生负面影响的显着拉曼噪声。有鉴于此，硅是创建并行片上量子源的一个有吸引力的平台，因为它具有高 χ(3) 非线性、片上开关潜力、窄拉曼增益谱和天然的 CMOS 兼容性。

　　随着量子信息对多光子输入状态的要求越来越高，成熟的硅源最终可能包含数百个单独的对生成单元，并在光子出现时结合智能路由。要实现这一点，紧凑而高效的单个生成单元是一项关键的开发。我们在此报告了在色散设计的慢光状态下运行的 80 µm 硅光子晶体 (PhC) 波导中在电信频段生成相关光子对。自发四波混频(FWM)的缓慢光增强显着缩短了器件的路径长度，使其成为迄今为止报道的最紧凑的量子相关光子对发射器。

　　图 1. a.) 光子晶体波导中的 FWM 示意图。快速相干光脉冲进入波导，由于慢光特性而被空间压缩。来自泵的两个光子分别转换为能量较高和较低的信号光子和闲置光子，

　　b.) 实验装置示意图：PC 偏振控制器、BPF 带通滤波器、POL 偏振器、LF 透镜光纤、PM 功率计、AWG 阵列波导光栅、DG 延迟发生器、SPD 单光子探测器、PD 光电二极管。

　　波导是通过使用电子束光刻和反应离子蚀刻在绝缘体上硅晶片上制作的，该晶片由 2 µm 二氧化硅上的 220 nm 硅层组成。PhC 波导(见图 1a)是由蚀刻在悬浮硅膜上的三角形气孔网格制成的，沿 K 方向缺少一排孔。波导中心附近的行横向移动以设计波导色散，使其在 10 nm 窗口内表现出 ~c/30 的群速度和低色散 [5]。在光子晶体波导的输入和输出端添加了包括倒锥形和宽聚合物波导(见图 1a)的硅接入波导，以提高耦合效率 [6]。PhC 波导的探测如图 1b) 所示。光纤激光器产生 10 MHz 重复率的 1541 nm、6 ps 脉冲序列。脉冲经过光谱过滤和 TE 偏振，然后使用透镜光纤以约 25% 的效率耦合到芯片 [4]。从泵浦产生的 3 nm 失谐的信号和闲频光子在输出处收集，使用 AWG 进行分离，并使用两个 0.5 nm 带通滤波器 (BPF) 进行过滤，然后发送到 InGaAs SPD。图 2a) 显示 SPD1 处的单个计数随输入峰值功率呈二次方变化，这清楚地表明光子是通过 FWM 生成的。零输入功率时的计数给出了通过以 3.3 MHz 采样激光来触发检测器时获得的暗计数，即所用死区时间和延迟设置的最大可能值。

　　图 2. a.) SPD1 与泵浦 3 nm 失谐的峰值功率的关系;b.) SPD2 处的符合计数(黑色)和意外计数(红色);

　　c.)当每个通道包含一个BBF(黑色)和两个BPF(红色)时的CAR。

　　在同一脉冲触发打开的两个探测器上检测到的光子给出了符合计数 (C)。我们通过电子方式改变检测器之间的延迟以打开连续脉冲来测量意外计数 (A)。图 2b) 显示巧合始终高于偶然，证实了相关光子对的生成。图 2c) 显示了在每个输出中使用一个或两个 BPF 在不同功率水平下获得的测得的重合与偶发比率 (CAR = (C-A)/A)。使用一个 BPF 时，我们会看到由于泵浦泄漏导致的 CAR 降低。使用两个 BPF，输入峰值功率为 2.0 W 时，最大 CAR 可达 2.0.该 CAR 值目前受到 InGaAs 探测器中高暗计数的限制，与损耗后的计数率相当。超过此功率水平的 CAR 滚降是由于硅中的双光子吸收 (TPA) 和由此产生的自由载流子吸收，由于慢光，这两种现象都发生在比硅纳米线更低的输入功率下 [5]。多光子的产生也可能有助于更高的泵浦功率。改进的探测器效率和更低的暗计数将允许使用更低的泵浦功率，从而大大减少 TPA 和自由载流子生成的影响，并且应该会导致 CAR 的改进。实验装置固有的 -26 dB 损耗源于片外组件，因此在所提议的片上多个波导源中不会出现问题，这使得这款超紧凑的 80 m 器件成为迈向可扩展并行光子源的第一步。

　　参考文献

　　[1] R. Thew 和 N. Gisin，“量子通信”，《自然光子学》1.165(2007)

　　[2] A. L. Migdall、D. Branning 和 S. Castelletto，“调整单光子按需源的单光子和多光子概率”，《物理评论 A》66.053805(2002)

　　[3] M. Hunault、H. Takesue、O. Tadanaga、Y. Nishida 和 M. Asobe，“通过单个周期性极化的 LiNbO3 波导中的级联二阶非线性生成时间箱纠缠光子对”，《光学快报》 35. 1239 (2010)

　　[4] C. Xiong、G. D. Marshall、A. Peruzzo、M. Lobino、A. S. Clark、D.-Y. Choi、S. J. Madden、C. M. Natarajan、M. G. Tanner、R. H. Hadfield、S.

　　N. Dorenbos、T. Zijlstra、V. Zwiller、M. G. Thompson、J. G. Rarity、M. J. Steel、B. Luther-Davies、B. J. Eggleton 和 J. L. O’Brien “在硫族化物 As2S3 波导中产生相关光子对”，Appl. Phys. Lett. 98. 051101 (2011)

　　[5] C. Monat, M. Ebnali-Heidari, C. Grillet, B. Corcoran, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O'Faolain, J. Li, 和 T. F. Krauss, “慢光工程硅光子晶体波导中的四波混合”，Optics Express 18. 22915 (2010)

　　[6] J. Li, L. O'Faolain, I. H. Rey, 和 T. F. Krauss, “光子晶体波导中的四波混合：慢光增强和限制”，Optics Express 19. 4458 (2011)

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