在芯片上高效生成光子對的新方法

鈮酸鋰薄膜是一種新興的非線性集成光子學(xué)平臺，非常適合量子應(yīng)用。通過自發(fā)參量下變頻（SPDC），它可以產(chǎn)生相關(guān)的光子對，用于量子密鑰分發(fā)、遠(yuǎn)距離傳輸和計(jì)算。

要使 SPDC 有效，相位匹配至關(guān)重要。傳統(tǒng)的方法是通過準(zhǔn)相位匹配使用周期性極化鈮酸鋰（PPLN）來實(shí)現(xiàn)，這是 20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)的一種技術(shù)。盡管 PPLN 被廣泛采用，但其最終的非線性效率在完美相位匹配的情況下僅限于小于 50%，而且在納米光子波導(dǎo)中的制造要求也越來越高。

新開發(fā)的 LPLN 通過電極化對整個薄膜進(jìn)行層域反轉(zhuǎn)，克服了這些挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的 PPLN 相比，它能實(shí)現(xiàn)更高的非線性效率，并簡化了制造工藝。這項(xiàng)研究發(fā)表在《光： 科學(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表。

用于高效光子對生成的層極鈮酸鋰 （LPLN） 納米光子波導(dǎo)。

新加坡國立大學(xué)助理教授Di Zhu說：“這是一個意外的發(fā)現(xiàn)。部分疇反轉(zhuǎn)原本是一種制造上的缺陷，但事實(shí)證明，它出人意料地有助于高效非線性波長轉(zhuǎn)換和光子對生成，而且非�？煽俊�。

研究團(tuán)隊(duì)在單個LPLN波導(dǎo)中采用了級聯(lián)二次諧波發(fā)生（SHG）和SPDC工藝來產(chǎn)生寬帶電信光子對。這種簡化的設(shè)置只需要標(biāo)準(zhǔn)的電信元件，使該技術(shù)更容易獲得，也更容易在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。

論文第一作者Xiaodong Shi說：“我們成功地在LPLN 波導(dǎo)中演示了高效 SHG 和光子對生成。理論上，SHG 效率可以達(dá)到傳統(tǒng) PPLN 波導(dǎo)的兩倍。其出色的非線性性能，加上對幾何和溫度變化的更強(qiáng)適應(yīng)性，使其成為量子集成光子學(xué)的一個有前途的候選器件�！�

下一步，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是進(jìn)一步優(yōu)化這些器件的性能和可擴(kuò)展性，并將其用于量子通信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-024-01645-5