基于硅波导的量子光源的研究

摘要

由于硅波导具有较高的三阶光学非线性系数和强的限光能力，其光学非线性效应得到了广泛研究。利用硅波导内优异的光学非线性特性，结合硅波导制备工艺成熟以及集成度高的优点，硅波导已被用于制备新型的量子光源，在量子通信乃至量子模拟等领域具备极佳的应用前景。本文以时间-能量纠缠光子对为研究对象，对利用硅波导产生光子对的机理、实验方案和测试平台进行了系统研究。实现了200KHz的光子对产生速率以及可见度为73.4%的量子干涉，并利用光子对的时间关联特性实现了对光纤色散的测量。 本文首先研究了四波混频基本原理以及相位匹配条件。选取了不同的硅波导的结构参数，通过数值仿真得到了硅波导的色散曲线与结构参数的关系。发现，硅波导宽度为500nm、高度为220nm时，单模硅波导在C波段具备弱反常色散效应，可以实现较好的相位匹配。依据数值模拟的参数，在微纳器件加工平台加工出了长度为6mm的硅波导，其传输损耗约为5dB/cm。硅波导的受激四波混频转换效率达到-22dB，3dB频率转换带宽约为15nm。在使用连续激光泵浦硅波导后，检测到产生的多对时间-能量纠缠光子对，分析了光子对产率与泵浦光功率的关系。 其次，对直波导产生的非简并的时间-能量光子对进行了Franson干涉测量，得到了周期为π、干涉可见度为49.2%±2.8%的量子干涉条纹，并与理论值符合得很好。为了提高量子干涉可见度，需要尽量减小关联光子对的线宽，采用硅微环对直波导产生的关联光子对进行滤波，得到3dB线宽约为6.25G简并的时间-能量纠缠光子对，实现了干涉可见度达到73.4%±7.2%的量子干涉。 最后，将硅波导内产生的多对非简并的时间-能量纠缠光子对导入色散光纤内。当经过同一段色散光纤后，光子对之间将产生延时。通过记录多对关联光子对的延时，实现了长度为2km的色散补偿光纤的色散系数的测量。测量结果与商用色散测量设备结果吻合，同时解释了色散测量中符合计数谱线展宽现象。

目录

第一个书签之前