IEEE SiPhotonics2025 | 集成光量子技术领域的片上纠缠光子对产生器

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引言

量子通信是技术创新的前沿领域，纠缠光子对发生器作为量子网络的基础资源具有重要意义。传统上，构建量子器件需要连接多个大型组件，使实际应用面临挑战。集成光子技术为解决这一难题提供了有效方案，为生产和控制量子光态提供了可扩展且高效的平台。硅基光电子领域的近期进展使量子组件微型化成为现实，为量子应用创造了新机会[1]。

硅绝缘体(SOI)平台在光量子技术领域展现出显着潜力。全球研究团队通过利用材料非线性特性，特别是通过环形谐振器，在开发片上纠缠光子对源方面取得了重大进展。然而，目前大多数方法仍然是概率性的，缺乏确定性的片上纠缠光子源。创建完全集成的解决方案不仅需要光子生成，还需要必要的后处理功能，如泵浦滤波和波长分复用——这些功能使信号和闲频光子能够被分别控制和处理。

图1：展示了集成光子对发生器系统及其关键组件：U形光栅用于光注入，环形谐振器用于产生闲频和信号频率，带有布拉格光栅的泵浦滤波级，以及具有模式工程的波长分复用。

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芯片设计与组件

本文介绍的完全集成纠缠光子对发生器在300 nm SOI平台上实现，仅使用无源组件。该设计符合国际电信联盟(ITU)网格标准和CMOS工业要求，使其适合大规模采用并集成到现有电信基础设施中。该线路包含三个基本阶段：纠缠光子对生成、泵浦滤波和波长分复用(WDM)。

光子生成阶段采用与滑轮总线波导临界耦合的环形谐振器。该谐振器实现了约150,000的品质因数和约100 GHz的自由光谱范围(FSR)，完全匹配ITU网格规范。高Q因子增强了光物质相互作用，当受到连续波泵浦源刺激时，通过四波混频(FWM)过程生成纠缠光子对。

对于泵浦滤波阶段，采用了具有破碎相干布拉格光栅的级联排列。该设计考虑了线路中残余的TM偏振，使用各向异性工程化的超材料弯曲来增加整体抑制效果。空气包层优化实现了超过70 dB的抑制水平，有效去除泵浦信号同时保留生成的光子对。

最终的WDM阶段由两节级联模式加法耦合器和绝热锥形布拉格光栅组成。几何参数针对平台进行了优化，并对锥形技术进行了改进。这种增强结构提供超低串扰(低于40 dB)和级联器件约0.5 dB的插入损耗，确保信号和闲频光子的高效分离。

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性能结果

图2：(a)该图显示了通过三个阶段后解复用闲频/信号通道的传输光谱，展示了信号和闲频光子的高效分离。(b)该图显示了为最大化光子对生成而选择的适当泵浦共振，表明符合ITU网格规范的两个通道中可用的光子对。

图2a中的传输光谱展示了通过芯片所有三个阶段后解复用闲频和信号通道的性能。总插入损耗为信号通道10 dB和闲频通道10.5 dB。这些通道设计有5 nm带宽，与泵浦滤波器的共振相差几个纳米，以捕获环形谐振器的4-6个FSR共振，增强光子生成效率。

在这些测量中可见的滤波器抑制水平达到约60 dB，使用光谱分析仪进行进一步表征后，滤波器和WDM组合的抑制水平增加到80 dB。相对于参考的约6 dB损耗归因于根据每个器件的独立表征的不同阶段：级联泵浦滤波器的插入损耗为2-3 dB，WDM阶段为0.5-1 dB。额外损耗源于传播（总器件长度0.5 mm上约5 dB/cm）和光纤阵列耦合（比单根光纤多1-2 dB）。

在经典线路表征后，选择了合适的泵浦共振以最大限度地在两个通道中同时生成光子对。如图2b所示，当泵浦调谐至1552.4 nm（与ITU网格通道32在1552.52 nm对齐）时，四个环形共振可用于光子对生成。每个通道满足能量守恒要求，闲频光子覆盖ITU网格通道20-23，信号光子覆盖通道39-42。

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结论

本文描述的片上纠缠光子对产生器通过将生成和管理纠缠光子对所需的所有组件整合到单个硅芯片上，这一发展解决了推进量子通信技术的关键挑战。该器件与ITU网格和CMOS工业标准的兼容性增强了其适用于大规模应用的能力，支持量子通信与当前电信基础设施的集成。

示范的性能指标——包括高品质谐振器（Q因子>100,000）、超过80 dB的泵浦抑制以及具有最小串扰（优于40 dB）的高效信号-闲频分离——代表了显着成就，使更高效和可扩展的量子网络成为现实。这些进展为高亮度光子对生成和操控提供了基础，这对未来量子应用非常重要。