基于纳米光波导的非线性光学单光子源技术

逍遥设计自动化

引言
单光子源是量子计算和安全通信等量子技术的基础组件。近期纳米光波导技术的发展使结合不同非线性光学效应来制备高效的片上单光子源成为现实。本文探讨了一种创新方法，该方法在集成波导中同时利用三阶(χ(3))和二阶(χ(2))非线性过程来产生和操控单个光子[1]。
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; I, X) O# Y  c! z( j' X7 C- s; I
, p9 w% [6 i. w: s工作原理与实现
, c$ U. H' s8 v8 F8 x7 _. Q这种方法的基本概念依赖于纳米光波导中自发四波混频(SFWM)和和频产生(SFG)过程的相互作用。在SFWM过程中，两个泵浦光子通过χ(3)非线性相互作用产生一对信号光子和闲置光子。随后，闲置光子与另一个泵浦光子通过χ(2)非线性进行SFG过程，产生上转换的触发光子。
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! K5 m& M9 ?; }- i图1：展示了所提出器件中SFWM和SFG过程组合的示意图。

这种方法解决了开发集成单光子源的两个主要挑战。首先，实现了触发光子的高效片上探测，因为传统的在通信波段产生的光子对能量超出了片上硅探测器的激活阈值。其次，提高了产生光子的光谱纯度，这对量子信息应用非常重要。
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8 q" j1 X9 K  i! m" Q! c5 X材料平台与实现
砷化镓铝(AlGaAs)和铌酸锂纳米光波导是实现这一概念的两个理想材料平台。这两种材料都具有强χ(2)和χ(3)非线性，适合同时实现SFWM和SFG过程。
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0 c  d8 p( \9 F: h9 _1 y图2：AlGaAs波导的横截面视图，展示了1550 nm波长下的基模TE模式和相应的相位匹配等值线。

4 w. n0 ~# p4 t) I+ w( ^对于AlGaAs实现方案，通常使用300 nm厚度和600 nm宽度的矩形波导，并嵌入二氧化硅包层中。该结构支持基模TE模式以实现高效的SFWM，同时可以通过取向图案化调制χ(2)系数来实现SFG过程的准相位匹配。
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3 y4 w6 i0 E: z0 H7 i  M图3：铌酸锂波导的横截面结构，展示了基模TE模式剖面及相位匹配特性。

在铌酸锂实现方案中，常用500 nm厚度和700 nm宽度的脊型波导。与AlGaAs不同，铌酸锂的晶体结构允许相同偏振光子之间进行高效的非线性相互作用，简化了器件设计。

& b0 a1 Q7 o1 L% F' G性能特征
可以通过几个关键指标来表征这些集成单光子源的性能，包括光子产生率和光谱纯度。使用连续波泵浦时，这些器件展示了通过SFWM高效产生光子对，并成功通过SFG进行上转换。

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图4：AlGaAs波导中光子对的预期产生率和联合光谱特性。
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对于AlGaAs平台，模拟结果显示，当使用适当的准相位匹配周期时，近99%的产生的闲置光子可以成功上转换为触发光子。这种高转换效率对量子信息处理的实际应用十分重要。

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图5：不同周期极化下沿波导长度的信号、闲置和触发光子率的演化。
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9 ]0 K" \3 B4 T1 x3 L$ ]通过仔细设计波导参数和泵浦条件，可以控制产生光子的光谱特性。例如，在AlGaAs波导中，通过实施上转换方案可将光谱纯度从0.0455提高到0.9。
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优化与设计考虑
! n+ w) k  e6 O7 B' O; C( F% R实现最佳性能需要优化几个关键参数：

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3 W+ z1 ]& C% G- h图6：光子对的联合光谱特性，显示了不同波长组合和相位匹配条件的影响。
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χ(2)系数的调制周期必须仔细选择，以实现高效的上转换，同时保持SFWM和SFG过程之间的平衡。周期过短会导致光子反复转换的振荡行为，而周期过长则会导致上转换效率低下。

1 P/ j& R9 T' G  `必须选择适当的泵浦功率和波长，以确保高效的SFWM，同时避免不需要的非线性效应。可以调节脉冲泵浦的时间特性来优化产生光子的光谱纯度。

: X& G3 _# y, }2 P$ a: l/ }未来发展与应用
' D$ {  D5 C0 E( ~2 q4 H集成方法产生的单光子源为量子光子技术提供了新的发展方向。能够产生具有内置上转换功能的纯单光子，使这些器件特别适合实际的量子计算和通信系统。
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通过组合SFWM-SFG过程在光谱纯度方面的改进代表了单光子源技术的重要进展。随着制造技术的不断进步，特别是对AlGaAs等半导体材料，预期将获得更好的性能。

7 G3 w+ l' G0 G" q( p* W这些集成单光子源可应用于：
; N' {, O- L6 u/ w( v4 j- }# s0 _需要纯单光子的量子计算架构
量子密钥分发系统的安全通信
量子传感和计量应用
量子中继器的开发用于量子网络
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高效的光子产生、光谱纯度提升和集成探测能力的结合，使这种方法成为未来量子技术的重要技术平台。

) l  @6 R$ x+ E' v参考文献
% D# |, J  ~. j9 [: U! ]3 k, a- c[1] M. Almassri and M. F. Saleh, "Heralded pure single-photon sources using nanophotonic waveguides with quadratic and cubic nonlinearities," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 41, no. 12, pp. 2739-2747, Dec. 2024.
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