[论文解读] An integrated source of spectrally filtered correlated photons for large scale quantum photonic systems
本文提出了一款单片式、与CMOS工艺兼容的硅光子芯片，利用分布布拉格反射器（DBR）和电调谐环形谐振器，在片上实现超过95 dB的泵浦光抑制，生成光谱滤波后的量子关联光子对。该系统实现了单光子源与探测器在单芯片上的完全集成，无需外部滤波即可实现50的符合-偶然比，为可扩展的量子光子电路铺平了道路。
We demonstrate the generation of quantum-correlated photon-pairs combined with the spectral filtering of the pump field by more than 95dB using Bragg reflectors and electrically tunable ring resonators. Moreover, we perform demultiplexing and routing of signal and idler photons after transferring them via a fiber to a second identical chip. Non-classical two-photon temporal correlations with a coincidence-to-accidental ratio of 50 are measured without further off-chip filtering. Our system, fabricated with high yield and reproducibility in a CMOS process, paves the way toward truly large-scale quantum photonic circuits by allowing sources and detectors of single photons to be integrated on the same chip.
研究动机与目标
- 通过在单芯片上集成单光子源与探测器，实现大规模量子光子系统的构建。
- 解决片上泵浦光场抑制的关键挑战，实现约100 dB的消光比，且不依赖外部滤波器。
- 展示光子对在芯片间的传输，实现完全的泵浦光抑制与信号/闲频光的波分复用，为可扩展的量子网络铺平道路。
- 实现高保真度、非经典的双光子时间关联，适用于量子信息处理。
- 利用标准CMOS工艺实现集成量子光子器件的可扩展、高良率制造。
提出的方法
- 通过电调谐硅微环谐振器中的自发四波混频（sFWM）生成光子对。
- 采用长度为2.576 mm的分布式布拉格反射器（DBR），实现初始泵浦光抑制，消光比超过60 dB。
- 在同一芯片上集成热调谐的上下耦合环形谐振器，实现额外滤波，总泵浦光抑制超过95 dB。
- 在光纤连接的芯片间传输后，利用可调谐环形滤波器对信号光与闲频光进行光谱解复用。
- 使用外部超导纳米线单光子探测器（SNSPD）测量时间相关的光子对，获得高符合-偶然比。
- 整个系统采用标准CMOS硅光子工艺制造，确保高良率、可重复性与可扩展性。
实验结果
研究问题
- RQ1是否可在无外部滤波器的单片式硅光子集成电路中实现超过95 dB的片上泵浦光抑制？
- RQ2是否可完全在片上实现光谱关联光子对的生成、滤波与解复用，且保真度高？
- RQ3光子对能否通过光纤在相同芯片间传输，同时保持非经典关联与完全的泵浦光抑制？
- RQ4系统是否可在无需额外外部滤波的情况下，实现符合-偶然比超过经典极限（2）？
- RQ5是否可行通过标准CMOS兼容工艺在同芯片上集成单光子源与探测器，以实现可扩展的量子光子系统？
主要发现
- 通过DBR与电调谐环形谐振器的组合，系统实现了超过95 dB的总泵浦光抑制，消除了对外部滤波器的依赖。
- 在通过熔融石英光纤完成芯片间传输后，系统在0.3 mW泵浦功率下仍保持非经典的双光子时间关联，符合-偶然比为50 ± 6。
- 从光源到探测器的总损耗为68 dB，主要源于系统中的传播与耦合损耗。
- 整个光源系统（包括滤波与解复用）每芯片占用面积小于1 mm²，展示了高密度集成的潜力。
- 制造工艺与CMOS兼容，具有高良率与可重复性，可实现集成量子光子器件的可扩展生产。
- 该系统实现了单光子源与探测器在片上的集成，是迈向大规模线性光学量子计算与玻色采样系统的关键一步。
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