[论文解读] Silicon-Nitride Platform for Narrowband Entangled Photon Generation

Sven Ramelow, Alessandro Farsi+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 19被引用 33

一句话总结

本论文展示了一款CMOS兼容的氮化硅（Si₃N₄）光子芯片，可生成带宽可调、低至30 MHz的窄带纠缠光子对——这是集成光源中前所未有的性能。通过利用Si₃N₄的低损耗和中等热膨胀系数，该平台在1550 nm波段实现了高亮度、稳定且广泛可调的光子对发射，仅需毫瓦级泵浦功率，支持时基纠缠，并可从可见光到中红外波段工作。

ABSTRACT

CMOS-compatible photonic chips are highly desirable for real-world quantum optics devices due to their scalability, robustness, and integration with electronics. Despite impressive advances using Silicon nanostructures, challenges remain in reducing their linear and nonlinear losses and in creating narrowband photons necessary for interfacing with quantum memories. Here we demonstrate the potential of the silicon nitride (Si3N4) platform by realizing an ultracompact, bright, entangled photon-pair source with selectable photon bandwidths down to 30 MHz, which is unprecedented for an integrated source. Leveraging Si3N4's moderate thermal expansion, simple temperature control of the chip enables precise wavelength stabilization and tunability without active control. Single-mode photon pairs at 1550 nm are generated at rates exceeding 107 s-1 with mW's of pump power and are used to produce time-bin entanglement. Moreover, Si3N4 allows for operation from the visible to the mid-IR, which make it highly promising for a wide range of integrated quantum photonics applications.

研究动机与目标

• 开发一种CMOS兼容的光子平台，用于可扩展、稳健且可集成的量子光学器件。
• 克服硅基平台在高线性与非线性损耗以及难以生成窄带光子方面的局限性。
• 在无需主动反馈的情况下，通过热控实现精确的波长稳定与可调。
• 在1550 nm波长下，实现亮度高、芯片级的纠缠光子对生成，带宽低至30 MHz。
• 将集成量子光子学的工作范围从可见光扩展至中红外波段。

提出的方法

• 利用低传播损耗和高非线性的氮化硅（Si₃N₄）波导，实现高效的四波混频。
• 设计超紧凑、单模波导，以生成光谱相关的光子对。
• 采用芯片级加热器实现无主动反馈的被动热调谐，以稳定和调谐输出波长。
• 在1550 nm波长下使用毫瓦级泵浦功率，通过Si₃N₄平台中的自发四波混频生成光子对。
• 利用窄带光子对实现时基纠缠，用于量子信息应用。
• 通过利用Si₃N₄的宽透明窗口，实现从可见光到中红外的宽带工作。

实验结果

研究问题

• RQ1 氮化硅波导是否能在集成化、CMOS兼容的平台上生成带宽低于100 MHz的纠缠光子对？
• RQ2 无主动反馈时，被动热调谐在稳定与调谐光子对发射方面效果如何？
• RQ3 在紧凑的Si₃N₄芯片中，量子应用可实现的最大亮度与光谱控制能力为何？
• RQ4 Si₃N₄平台是否能支持从可见光到中红外波段的运行，以满足多样化的量子光子应用需求？
• RQ5 Si₃N₄的低损耗与中等热膨胀系数在实现稳定、高保真度纠缠光子生成方面发挥了多大作用？

主要发现

• 该平台实现了30 MHz的记录级窄带光子对带宽，是目前集成光源中报道的最窄带宽。
• 在仅毫瓦级泵浦功率下，光子对生成速率超过10⁷ s⁻¹，表明其具有高亮度与高效率。
• 被动热调谐可在无主动反馈的情况下实现精确的波长稳定与可调，显著提升系统的鲁棒性与可扩展性。
• 成功利用窄带光子对生成了时基纠缠，证实其适用于与量子存储器接口。
• Si₃N₄平台支持从可见光到中红外的运行，可实现宽光谱的量子光子应用。
• 低损耗、高非线性与CMOS兼容性的结合，使Si₃N₄成为可扩展量子光子学的极具前景的平台。