微环还能玩出什么新花样？
硅基光子芯片具有与CMOS工艺兼容、可扩展、高稳定性和可重构等优点，是一种理想的集成化量子信息处理平台。然而，由于硅不具备二阶非线性效应，只能通过较弱的三阶非线性相互作用，即自发四波混频过程来产生纠缠光子对。所谓自发四波混频是指两个光场入射到非线性材料中产生另外两个具有关联关系甚至纠缠关系的一对光子的过程，该过程一般可以在硅直波导中发生。相比于直波导，硅的微环因为有腔的共振增强效应所以腔内光场强度显著增强，可以显著提升输出光子对的亮度。然而，微环输出的光子对亮度对相互作用的四个光场的耦合状态比较敏感，只有当几个光场都满足最优耦合条件时才能输出最亮的光子对。对于连续泵浦光来说，这个最优耦合条件是：泵浦光处于临界耦合、信号和闲置光子处于特定的过耦合。传统的直波导耦合的微环谐振腔无法精准地实现这个最优耦合条件。那么微环还能有玩出什么新花样来满足这个条件呢？
在最近发表于SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版）2020年第2期的题为“Bright photon-pair source based on a silicon dual-Mach-Zehnder microring”的工作中[1]，研究人员提出和演示了利用不等臂马赫-增德尔干涉仪（MZI）对微环进行耦合从而实现最优耦合条件，制备出了超高亮度的光子对。该工作由国防科技大学徐平教授课题组和中国电子科技集团公司第五十五研究所的微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室联合完成。此外，期刊同期发表了由清华大学龙桂鲁教授为此文撰写的点评文章[2]。
研究人员采用了双不等臂马赫-增德尔干涉仪对硅基微环进行耦合，实现了对泵浦、信号闲置耦合条件的独立优化，实验上制备了12个不同耦合参数的微环，并采取串联设计以保证所有微环耦合条件的一致性，如图1（a）所示。图1（b）是作者计算的在连续光泵浦微环时，输出光子对亮度与泵浦、信号（闲置）耦合条件的关系：当泵浦光达到临界耦合、信号（闲置）的内品质因子是外品质两倍时光子对输出亮度达到最高。该文首次从实验上证实了这一最优耦合条件。并且12个微环的光子对亮度和其理论值吻合得非常好，如图1（c）所示。在接近最优耦合条件时，在156微瓦的连续光泵浦条件下，测得片上光子对产率达到0.45 MHz，光谱亮度达到2.0×108 pairs s-1 nm-1 mW-2。这两个数值超过了大多数硅基光子源文献中报道的数值，同时也分别接近和高于二阶非线性波导如质子交换铌酸锂直波导中的数据[3]。
双MZI耦合的微环还具有以下两个优点：
提高光子对的收集效率，光子对从through端口和drop端口输出的抑制比达30 dB；
双重滤波作用，有效地滤除环之前的噪声光子，以及滤除输出口的泵浦光从而降低环后产生噪声光子的可能性。
徐平教授课题组近期还展示了从该双MZI微环结构中产生了极高频谱纯度的光子源[4]，以上这些工作揭示了该微环结构具有广泛的应用前景，可以为片上量子信息处理提供高品质、灵活可控的量子光源，也可以用在非线性频率转换、全光信息处理中。双MZI微环的设计方法具有普遍适用性，可以推广到其他材料体系。
参考文献：
[3] H. Jin, F. M. Liu, P. Xu, J. L. Xia, M. L. Zhong, Y. Yuan, J. W. Zhou, Y. X. Gong, W. Wang, and S. N. Zhu, On-chip generation and manipulation of entangled photons based on reconfigurable lithium-niobate waveguide circuits, Phys. Rev. Lett. 113, 103601 (2014).
[4] Y. W. Liu, C. Wu, X. W. Gu, Y. C. Kong, X. X. Yu, R. Y. Ge, X. L. Cai, X. G. Qiang, J. J. Wu, X. J. Yang, and P. Xu, High-spectral-purity photon generation from a dual-interferometer-coupled silicon microring, Opt. Lett. 45, 73(2020).
通讯作者简介
徐平，国防科技大学计算机学院量子信息研究所教授、博导。国家优秀青年基金获得者、全国百篇优秀博士论文获得者、新世纪人才。主要研究铌酸锂和硅基光量子芯片以及芯片上量子信息处理。
孔月婵，南京电子器件研究所研究员级高级工程师，博士生导师，微波毫米波单片集成和模块电路国家级重点实验室副主任，江苏省“333人才工程”培养对象，首届青年双创英才获得者。长期从事化合物半导体异质结构材料、电子器件和光电器件物理研究。