[论文解读] Photon Conversion and Interaction on Chip

Jia‐Yang Chen, Zhan Li+5 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 5

一句话总结

该论文通过周期极化钽酸锂微环谐振器，在芯片上实现了超高效、低噪声的光子转换以及强光子-光子相互作用。通过仅使用104 µW的泵浦功率即实现65%的外部量子效率，并达到10⁻⁵的单光子级转换概率，为集成量子光子电路设立了新基准。

ABSTRACT

The conversion and interaction between quantum signals at a single-photon level are essential for scalable quantum photonic information technology. Using a fully-optimized, periodically-poled lithium niobate microring, we demonstrate ultra-efficient sum-frequency generation on chip. The external quantum efficiency reaches $(65\pm3)\%$ with only $(104\pm4)$ $μ$W pump power, improving the state-of-the-art by over one order of magnitude. At the peak conversion, $3 imes10^{-5}$ noise photon is created during the cavity lifetime, which meets the requirement of quantum applications using single-photon pulses. Using pump and signal in single-photon coherent states, we directly measure the conversion probability produced by a single pump photon to be $10^{-5}$ -- breaking the record by 100 times -- and the photon-photon coupling strength to be 9.1 MHz. Our results mark a new milestone toward quantum nonlinear optics at the ultimate single photon limit, creating new background in highly integrated photonics and quantum optical computing.

研究动机与目标

• 为克服真空中光子-光子相互作用微弱以及传统材料中非线性度低的根本挑战，实现可扩展的量子光子集成。
• 利用完全优化的周期极化锂 niobate (PPLN) 微环谐振器，在单光子水平上实现高效率、低噪声的光子转换与强非线性耦合。
• 在紧凑、集成的平台上实现记录水平的外部量子效率与光子-光子耦合强度，适用于量子信息处理。
• 实现量子频率转换、光学压缩以及确定性纠缠态生成等实际应用，均集成于单芯片之上。

提出的方法

• 设计并制造了Z切、周期极化的绝缘体上钽酸锂（LNOI）微环谐振器，宽度为1.7 µm，半径为80 µm，专为三重共振和频生成（SFG）优化。
• 采用具有400 nm顶部宽度、650 nm间隙和40 µm长度的滑轮耦合器，实现所有相互作用波（泵浦光、信号光和和频光）的强过耦合，以最大化光子提取效率。
• 采用3.37 µm周期的周期极化与接近50%占空比，实现准相位匹配（QPM），高效实现二阶非线性过程（χ⁽²⁾），并利用其大的d₃₃ = 27 pm/V非线性系数。
• 采用电子束光刻与电感耦合等离子体（ICP）氩离子刻蚀技术，制造出高质量、亚微米级的波导与微环结构，侧壁角为64°。
• 刻蚀后沉积1.5 µm的SiO₂钝化层，以保护结构并降低传播损耗。
• 在系统级设计中集成热可调微环与定向耦合器，用于实现后脉冲证实的纠缠态生成，证明了可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在全集成的芯片平台上，利用薄膜钽酸锂实现单光子水平的超高效、低噪声光子转换？
• RQ2 在周期极化微环谐振器中，实现最小泵浦功率下的和频生成，其最大外部量子效率是多少？
• RQ3 在芯片尺度的非线性光学系统中，其本征光子-光子耦合强度与单光子转换概率是多少？
• RQ4 系统能否实现足够低的噪声（例如，< 3×10⁻⁵个噪声光子/腔寿命）以满足量子应用需求？
• RQ5 与现有光子平台相比，过耦合、三重共振、周期极化的微环结构集成如何提升性能？

主要发现

• 该器件实现了(65 ± 3)%的外部量子效率，相较于任何光子平台的现有技术水平提升逾十倍。
• 仅需104 ± 4 µW的泵浦功率即可达到峰值转换效率，实现对量子系统至关重要的低功耗运行。
• 芯片上的噪声光子通量测量值为3×10⁻⁵个光子/100-ps腔寿命，尽管存在微小失谐，仍证实其接近量子极限运行。
• 单光子转换概率直接测量为10⁻⁵，相比此前10⁻⁷的记录提升了两个数量级。
• 光子-光子耦合强度达到9.1 MHz（角频率），实现在单光子水平的强非线性相互作用。
• 系统实现了确定性后脉冲证实的纠缠态生成，后脉冲率接近10 Hz，为可扩展量子光子电路提供了支持。