Optica更新|硅基光电子与薄膜铌酸锂技术集成在光量子技术中的应用

  摘要

  本文总结 UC San Diego在去年十月发表的利用集成电光调制器（EOM）进行泵浦脉冲整形来优化光子对生成的新方法 [1]。制作了一个光子微芯片，集成了高带宽、高消光比的 EOM 和高品质因子的硅微环谐振器，实现有效的参量化非线性效应。EOM 使用硅基的薄膜铌酸锂（TFLN）实现 100 GHz 以上的调制带宽。当泵浦脉冲宽度匹配微谐振器中的光子寿命时，实现了理论纯度极限。这首次证明了实现片上控制双光子联合谱强度，使高纯度的预知单光子发生成为可能。

  介绍

  光量子技术依赖于高效的单光子和纠缠光子源，可应用于通信、传感、模拟和计算等领域。与原子气体、光纤和量子点相比，利用硅等材料制成的固态参量化器件具有体积小、可室温操作以及可有效收集光子到波导的优点。然而，提高这类器件产生的单光子的纯度是一个重大挑战。一种方法是动态控制泵浦光的光谱时间特性，这需要使用集成电光调制器（EOM）来整形具有足够带宽的光脉冲。

  当前的方法依赖于短脉冲激光器和分立的泵浦准备和光子生成设备，这种方法效率低、损耗大、昂贵且不可扩展。例如，图 1 显示了使用连续波（CW）光[图 1（a）]和短脉冲[图 1（b）]泵浦硅微环的模拟联合谱强度（JSI）。前者是一个高度不可分离的状态，有许多明显的施密特模奇异值，而后者接近理想的单模状态。

  本文演示了一个带有 EOM 进行泵浦脉冲整形的光子电路，与高品质因子的硅微谐振器实现有效的参量化非线性效应和低损耗互连完全集成。该芯片使用不同材料和多层架构来克服单一材料平台的局限。基于此，实现了首次片上控制室温双光子发生的联合谱强度，并达到理论纯度极限。

图 1：硅微环泵浦（a） CW 光和（b）短脉冲的模拟联合谱强度（JSI）。插图显示奇异值分布。

  集成器件概念和设计

  图 2（a）和（b）显示了器件原理图和横截面。硅波导贯穿整个芯片，仅在 EOM 部分使用薄膜铌酸锂（TFLN）层。EOM 是推挽马赫-曾德器，具有宽硅肋输入波导[图 2（b）中的横截面 A]，平稳过渡到 TFLN-硅混合模式[B 和 C]，允许与电光 TFLN 层产生光学相互作用，无需蚀刻/图案化。硅肋波导宽度控制硅和 TFLN 中的光学模式分数。

图 2：（a） 集成光子芯片的布局示意图。

（b） 显示材料层的横截面示意图。

（c） 微芯片的照片。

（d） “A”、“B”和“C” 区域中的模拟光学模式。

  所有光学部分使用硅波导、弯头、耦合器和微环谐振器通过自发四波混频（SFWM）生成光子对。被动组件经优化，实现高品质因子、单模操作。平稳的波导宽度变化连接各部分，光滑的过渡防止双光子联合谱中反射和光谱变化。

  结果

  EOM 表现出超过 100 GHz 的 3 dB 电光带宽[图 3（c）]，约 400：1 的消光比[图 3（b）]。微环谐振器具有约 120000 的加载品质因子[图 3（e）]，与独立器件相似。这提供了约 80 ps 的光子寿命，匹配生成的最短泵浦脉冲。在最高泵浦速率下，巧合计数与偶发计数比仍高[图 3（f）]，表明产生了干净的光子对。

图 3：（a） 调制器电光响应测量示意图。

（b） 1550 nm 处的半波电压与相移器长度乘积（VπL）和光学消光比。

（c） 测量的电光响应（蓝点），红线为基于矢量网络分析仪数据的建模结果。虚线显示 -3 dB 衰减水平。

（d） 双光子发生测量示意图。

（e） Si 微环的传输测量。

（f） 原始测量单光子计数率下的巧合与偶发比（CAR），无损耗校正。插图显示 CAR 最小时的二阶自相关曲线。

  为演示联合谱的电子调谐，EOM 生成 540 ps、320 ps 和 80 ps 宽度的脉冲。如图 4 所示，随着脉冲宽度接近腔寿命，联合谱强度变得更纯，施密特数从 2.31 降至 1.09。最终纯度达到 0.92，接近该器件结构的理论最大值。这是首次实现片上双光子联合谱强度的控制。

图 4：（a） 使用掺入法测量 JSI 的示意图。

（b） 开环和连接线段为单光子纯度与谐振器光子寿命 τQ 与泵浦脉冲脉冲半高全宽 τpulse 的比值的预期趋势，在 τQ/τpulse = 1 附近达到理论极限。蓝点是根据图（c）所示测量的 JSI 得到的实验结果。

（c） 连续波泵浦、脉冲泵浦宽度 τpulse = 540 ps、320 ps 和 80 ps（匹配腔 τQ）后的 JSI 数据处理结果。

（d） 对应的奇异值分布（前 10）。

  讨论

  复杂性平衡了单一材料平台未能满足的科学需求。硅具有用于光子对生成的自发四波混频的 χ（3）非线性，但其电光调制器受速度、消光比、色散和损耗之间权衡的基本限制，这与硅的载流子特性有关。铌酸锂和薄膜铌酸锂使用更高效的参量下转换的 χ（2），但这需要非常宽泛分离的泵浦和光子波长，使器件设计复杂化。需要多模波导或短周期极化来实现高效下转换，这依赖精确的制造。大相位匹配带宽超过 10 THz，需要不实际的 EOM 带宽进行泵浦脉冲整形。铌酸锂微谐振器可以实现窄带光子对，但具有限制性能的权衡。

  混合集成选择了每个平台的优势。铌酸锂EOM 提供所需的带宽和消光比，无需极化或蚀刻。硅微谐振器提供高效、窄带光子对生成。该集成具有低损耗，无需精确调整或锐接口即可扩展。

  许多光量子技术应用将受益于这种异质集成的光学功能。该方法适合于使用硅绝缘体晶圆的成本效益高、批量生产。不需要铌酸锂图案化或极化，键合不需要精密调整。与可能具有锐接口、较高故障率和可扩展性有限的微芯片翻转芯片组装相比，此集成体系结构更强大。

  结论

  本文解读UC San Diego使用片上电光脉冲整形与有效参量发生集成来优化光子对生成的新方法。作者制作了一个光子微芯片，集成了>100 GHz铌酸锂EOM 和高品质因子硅微环。泵浦脉冲宽度与光子寿命匹配，达到理论纯度极限。这首次证明了实现片上双光子联合谱强度的控制，使高纯度的预知单光子发生的可行性更高。

  参考资料

  [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