[论文解读] Photon Pair Generation in Silicon Micro-Ring Resonator and Enhancement via Reverse Bias

Erman Engin, Damien Bonneau+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2012

Photonic and Optical Devices被引用 2

一句话总结

本文通过在硅微环谐振器中实现自发四波混频，展示了高效率、低噪声的光子对生成，实现了602 ± 37的符合-偶然比（CAR）和123 MHz ± 11 kHz的光子对生成速率。此外，研究还表明，通过反向偏置p-i-n结构可将光子对生成速率提高至两倍，同时对CAR的劣化极小，从而实现了可扩展的、芯片集成的量子光源。

ABSTRACT

Photon sources are fundamental components for any quantum photonic technology. The ability to generate high count-rate and low-noise correlated photon pairs via spontaneous parametric down-conversion using bulk crystals has been the cornerstone of modern quantum optics. However, future practical quantum technologies will require a scalable integration approach, and waveguide-based photon sources with high-count rate and low-noise characteristics will be an essential part of chip-based quantum technologies. Here, we demonstrate photon pair generation through spontaneous four-wave mixing in a silicon micro-ring resonator, reporting a maximum coincidence-to-accidental (CAR) ratio of 602 (+-) 37, and a maximum photon pair generation rate of 123 MHz (+-) 11 KHz. To overcome free-carrier related performance degradations we have investigated reverse biased p-i-n structures, demonstrating an improvement in the pair generation rate by a factor of up to 2, with negligible impact on CAR.

研究动机与目标

• 利用硅微环谐振器开发可扩展的、片上集成的光子源，用于量子光子技术。
• 实现高效率的光子对生成，同时保持低噪声，通过高符合-偶然比（CAR）进行量化。
• 通过反向偏置的p-i-n结构减轻硅波导中自由载流子效应导致的性能退化。
• 证明反向偏置可在不显著影响CAR的情况下提升光子对生成速率，从而实现实际集成。

提出的方法

• 利用硅微环谐振器中的自发四波混频（SFWM）生成关联光子对。
• 在微环中集成p-i-n二极管结构，施加反向偏置以抑制自由载流子效应。
• 通过测量符合-偶然比（CAR）来量化光子对生成效率和噪声水平。
• 通过在不同反向偏置条件下进行时间分辨符合计数，量化光子对生成速率。
• 优化谐振器的Q因子和模式重叠，以增强非线性相互作用效率。
• 采用电学偏置控制自由载流子密度，减少波导中的吸收损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过在硅微环谐振器中利用自发四波混频实现高效率、低噪声的光子对生成？
• RQ2 反向偏置在多大程度上可提升硅微环谐振器中的光子对生成速率？
• RQ3 反向偏置是否会劣化符合-偶然比（CAR），表明噪声水平上升？
• RQ4 能否通过反向偏置下的p-i-n结有效抑制硅波导中的自由载流子效应？
• RQ5 在芯片集成的硅微环光源中，光子对生成速率和CAR的最大可实现值是多少？

主要发现

• 硅微环谐振器实现了最高602 ± 37的符合-偶然比（CAR），表明其具有优异的信噪性能。
• 该器件实现了最高123 MHz ± 11 kHz的光子对生成速率，适用于实际量子应用。
• 反向偏置使光子对生成速率最高提升两倍，显著提高了效率。
• CAR在反向偏置下基本保持不变，噪声无显著增加，证实信号质量未明显劣化。
• p-i-n结构有效抑制了自由载流子效应，实现了在高功率激发下的稳定运行。
• 结果验证了采用反向偏置硅微环谐振器作为可扩展、高性能片上集成量子光子源的可行性。