Optica更新|硅基光電子與薄膜鈮酸鋰技術(shù)集成在光量子技術(shù)中的應(yīng)用

  摘要

  本文總結(jié) UC San Diego在去年十月發(fā)表的利用集成電光調(diào)制器（EOM）進(jìn)行泵浦脈沖整形來(lái)優(yōu)化光子對(duì)生成的新方法 [1]。制作了一個(gè)光子微芯片，集成了高帶寬、高消光比的 EOM 和高品質(zhì)因子的硅微環(huán)諧振器，實(shí)現(xiàn)有效的參量化非線性效應(yīng)。EOM 使用硅基的薄膜鈮酸鋰（TFLN）實(shí)現(xiàn) 100 GHz 以上的調(diào)制帶寬。當(dāng)泵浦脈沖寬度匹配微諧振器中的光子壽命時(shí)，實(shí)現(xiàn)了理論純度極限。這首次證明了實(shí)現(xiàn)片上控制雙光子聯(lián)合譜強(qiáng)度，使高純度的預(yù)知單光子發(fā)生成為可能。

  介紹

  光量子技術(shù)依賴于高效的單光子和糾纏光子源，可應(yīng)用于通信、傳感、模擬和計(jì)算等領(lǐng)域。與原子氣體、光纖和量子點(diǎn)相比，利用硅等材料制成的固態(tài)參量化器件具有體積小、可室溫操作以及可有效收集光子到波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。然而，提高這類器件產(chǎn)生的單光子的純度是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。一種方法是動(dòng)態(tài)控制泵浦光的光譜時(shí)間特性，這需要使用集成電光調(diào)制器（EOM）來(lái)整形具有足夠帶寬的光脈沖。

  當(dāng)前的方法依賴于短脈沖激光器和分立的泵浦準(zhǔn)備和光子生成設(shè)備，這種方法效率低、損耗大、昂貴且不可擴(kuò)展。例如，圖 1 顯示了使用連續(xù)波（CW）光[圖 1（a）]和短脈沖[圖 1（b）]泵浦硅微環(huán)的模擬聯(lián)合譜強(qiáng)度（JSI）。前者是一個(gè)高度不可分離的狀態(tài)，有許多明顯的施密特模奇異值，而后者接近理想的單模狀態(tài)。

  本文演示了一個(gè)帶有 EOM 進(jìn)行泵浦脈沖整形的光子電路，與高品質(zhì)因子的硅微諧振器實(shí)現(xiàn)有效的參量化非線性效應(yīng)和低損耗互連完全集成。該芯片使用不同材料和多層架構(gòu)來(lái)克服單一材料平臺(tái)的局限?；诖?，實(shí)現(xiàn)了首次片上控制室溫雙光子發(fā)生的聯(lián)合譜強(qiáng)度，并達(dá)到理論純度極限。

圖 1：硅微環(huán)泵浦（a） CW 光和（b）短脈沖的模擬聯(lián)合譜強(qiáng)度（JSI）。插圖顯示奇異值分布。

  集成器件概念和設(shè)計(jì)

  圖 2（a）和（b）顯示了器件原理圖和橫截面。硅波導(dǎo)貫穿整個(gè)芯片，僅在 EOM 部分使用薄膜鈮酸鋰（TFLN）層。EOM 是推挽馬赫-曾德器，具有寬硅肋輸入波導(dǎo)[圖 2（b）中的橫截面 A]，平穩(wěn)過(guò)渡到 TFLN-硅混合模式[B 和 C]，允許與電光 TFLN 層產(chǎn)生光學(xué)相互作用，無(wú)需蝕刻/圖案化。硅肋波導(dǎo)寬度控制硅和 TFLN 中的光學(xué)模式分?jǐn)?shù)。

圖 2：（a） 集成光子芯片的布局示意圖。

（b） 顯示材料層的橫截面示意圖。

（c） 微芯片的照片。

（d） “A”、“B”和“C” 區(qū)域中的模擬光學(xué)模式。

  所有光學(xué)部分使用硅波導(dǎo)、彎頭、耦合器和微環(huán)諧振器通過(guò)自發(fā)四波混頻（SFWM）生成光子對(duì)。被動(dòng)組件經(jīng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子、單模操作。平穩(wěn)的波導(dǎo)寬度變化連接各部分，光滑的過(guò)渡防止雙光子聯(lián)合譜中反射和光譜變化。

  結(jié)果

  EOM 表現(xiàn)出超過(guò) 100 GHz 的 3 dB 電光帶寬[圖 3（c）]，約 400：1 的消光比[圖 3（b）]。微環(huán)諧振器具有約 120000 的加載品質(zhì)因子[圖 3（e）]，與獨(dú)立器件相似。這提供了約 80 ps 的光子壽命，匹配生成的最短泵浦脈沖。在最高泵浦速率下，巧合計(jì)數(shù)與偶發(fā)計(jì)數(shù)比仍高[圖 3（f）]，表明產(chǎn)生了干凈的光子對(duì)。

圖 3：（a） 調(diào)制器電光響應(yīng)測(cè)量示意圖。

（b） 1550 nm 處的半波電壓與相移器長(zhǎng)度乘積（VπL）和光學(xué)消光比。

（c） 測(cè)量的電光響應(yīng)（藍(lán)點(diǎn)），紅線為基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)的建模結(jié)果。虛線顯示 -3 dB 衰減水平。

（d） 雙光子發(fā)生測(cè)量示意圖。

（e） Si 微環(huán)的傳輸測(cè)量。

（f） 原始測(cè)量單光子計(jì)數(shù)率下的巧合與偶發(fā)比（CAR），無(wú)損耗校正。插圖顯示 CAR 最小時(shí)的二階自相關(guān)曲線。

  為演示聯(lián)合譜的電子調(diào)諧，EOM 生成 540 ps、320 ps 和 80 ps 寬度的脈沖。如圖 4 所示，隨著脈沖寬度接近腔壽命，聯(lián)合譜強(qiáng)度變得更純，施密特?cái)?shù)從 2.31 降至 1.09。最終純度達(dá)到 0.92，接近該器件結(jié)構(gòu)的理論最大值。這是首次實(shí)現(xiàn)片上雙光子聯(lián)合譜強(qiáng)度的控制。

圖 4：（a） 使用摻入法測(cè)量 JSI 的示意圖。

（b） 開(kāi)環(huán)和連接線段為單光子純度與諧振器光子壽命 τQ 與泵浦脈沖脈沖半高全寬 τpulse 的比值的預(yù)期趨勢(shì)，在 τQ/τpulse = 1 附近達(dá)到理論極限。藍(lán)點(diǎn)是根據(jù)圖（c）所示測(cè)量的 JSI 得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（c） 連續(xù)波泵浦、脈沖泵浦寬度 τpulse = 540 ps、320 ps 和 80 ps（匹配腔 τQ）后的 JSI 數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

（d） 對(duì)應(yīng)的奇異值分布（前 10）。

  討論

  復(fù)雜性平衡了單一材料平臺(tái)未能滿足的科學(xué)需求。硅具有用于光子對(duì)生成的自發(fā)四波混頻的 χ（3）非線性，但其電光調(diào)制器受速度、消光比、色散和損耗之間權(quán)衡的基本限制，這與硅的載流子特性有關(guān)。鈮酸鋰和薄膜鈮酸鋰使用更高效的參量下轉(zhuǎn)換的 χ（2），但這需要非常寬泛分離的泵浦和光子波長(zhǎng)，使器件設(shè)計(jì)復(fù)雜化。需要多模波導(dǎo)或短周期極化來(lái)實(shí)現(xiàn)高效下轉(zhuǎn)換，這依賴精確的制造。大相位匹配帶寬超過(guò) 10 THz，需要不實(shí)際的 EOM 帶寬進(jìn)行泵浦脈沖整形。鈮酸鋰微諧振器可以實(shí)現(xiàn)窄帶光子對(duì)，但具有限制性能的權(quán)衡。

  混合集成選擇了每個(gè)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。鈮酸鋰EOM 提供所需的帶寬和消光比，無(wú)需極化或蝕刻。硅微諧振器提供高效、窄帶光子對(duì)生成。該集成具有低損耗，無(wú)需精確調(diào)整或銳接口即可擴(kuò)展。

  許多光量子技術(shù)應(yīng)用將受益于這種異質(zhì)集成的光學(xué)功能。該方法適合于使用硅絕緣體晶圓的成本效益高、批量生產(chǎn)。不需要鈮酸鋰圖案化或極化，鍵合不需要精密調(diào)整。與可能具有銳接口、較高故障率和可擴(kuò)展性有限的微芯片翻轉(zhuǎn)芯片組裝相比，此集成體系結(jié)構(gòu)更強(qiáng)大。

  結(jié)論

  本文解讀UC San Diego使用片上電光脈沖整形與有效參量發(fā)生集成來(lái)優(yōu)化光子對(duì)生成的新方法。作者制作了一個(gè)光子微芯片，集成了>100 GHz鈮酸鋰EOM 和高品質(zhì)因子硅微環(huán)。泵浦脈沖寬度與光子壽命匹配，達(dá)到理論純度極限。這首次證明了實(shí)現(xiàn)片上雙光子聯(lián)合譜強(qiáng)度的控制，使高純度的預(yù)知單光子發(fā)生的可行性更高。

  參考資料

  [1] Wang, Xiaoxi; Mere, Viphretuo; Valdez, Forrest; Mookherjea, Shayan (2023). Integrated Electro-optic Control of Biphoton Generation Using Hybrid Photonics. Optica Publishing Group. Collection. https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.6831267.v2