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通过自发参量下转换产生光学信号光子和太赫兹闲频光子
摘要： 在强频率非简并条件下，不采用傍轴近似，研究了自发参量下转换产生的信号光子与闲频光子的频率-角向特性，其中考虑了非线性晶体中闲频波可能存在的固有吸收、经典热场涨落以及泵浦光束横向空间限制引发的参量相互作用多模特性。研究表明，空间限制会导致太赫兹频段闲频光子产生角向发散度急剧增大。我们获得了非线性光学太赫兹波探测器频率-角向灵敏度函数的普适表达式，以及信号光子与闲频光子通量的功率密度公式。分析表明：对于所有活跃的闲频空间模式，噪声与外入射闲频辐射在参量转换系数上因吸收产生的差异，可用近似相同的损耗因子描述。研究揭示了内部热噪声对输出闲频光子数的两种不同参量贡献，它们对闲频波吸收具有不同的依赖关系。通过改变吸收系数的符号可相互转化的损耗因子表达式被推导出来，这些表达式描述了信号与闲频通道中吸收引发的效应。结合晶体的吸收特性，分析了热场与量子场涨落在信号及闲频频率上对非线性晶体本征辐射的相对贡献。
关键词： 非线性光学、热涨落、太赫兹、量子涨落、吸收、自发参量下转换
更新于2025-09-23 15:22:29
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[2019年IEEE第46届光伏专家会议(PVSC) - 美国伊利诺伊州芝加哥(2019.6.16-2019.6.21)] 2019年IEEE第46届光伏专家会议(PVSC) - 基于钙钛矿/Mg?Si的新型单片串联太阳能电池设计与模拟（转换效率达25.5%）
摘要： 我们研究了基于铌酸锂非线性光子晶体（NPCs）中自发参量下转换产生的光子对的波前工程。由于畴结构的复杂性，基于非线性惠更斯-菲涅耳原理描述光子相互作用比传统准相位匹配方案更为便捷。我们推导出描述下转换光子态横向特性的解析表达式。铌酸锂晶体中畴工程的可操作性为多光子态的灵活波前调控提供了潜在平台。利用该方法研究了扭转NPC中轨道角动量N00N态的产生，所获态在量子密码学、计量学和光刻应用中具有重要价值。
关键词： N00N态、波前工程、自发参量下转换、非线性光子晶体
更新于2025-09-19 17:13:59
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[IEEE 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 周期极化材料中宽带自发参量下转换的特性表征
摘要： 自发参量下转换（SPDC）是产生纠缠或关联光子对最重要的光源之一，这些光子对是量子光学成像与光谱学等新兴领域的基础。采用周期性极化材料作为SPDC光源，可在宽调谐波长范围内实现高效、无离散的高效宽谱发射。对于采用非线性干涉装置的应用[1,2]，只有当信号光与闲频光模式在第二块晶体中精确重合时才能获得最大干涉对比度。因此，精确掌握SPDC的光谱-角向特性对设计此类器件至关重要。 本研究拓展了Byer和Harris[3]提出的解析方法，建立了面向应用的宽带SPDC信号功率密度模型。针对宽谱发射情况，需正确描述非共线相位匹配过程。通过引入角向依赖的有效相互作用长度来考虑有限泵浦光束直径的影响。以532nm泵浦的周期性极化铌酸锂为例，我们计算了其角向特性、光谱功率密度及总信号功率。为验证结果，将计算数据与2cm长5%MgO掺杂铌酸锂晶体（40℃工作温度）的实验结果进行对比——该晶体包含11个极化周期（8.2-11.2μm），采用2W功率532nm窄带激光泵浦并聚焦至120μm束腰。通过不同极化周期覆盖613-750nm信号波长范围（对应4-1.8μm闲频波长）。图1a将不同极化周期的计算光谱功率密度（实线）与实测光谱对比，各测量光谱经恒定因子缩放以实现与计算功率密度的最佳拟合（仅作定性比较）。图1b展示不同通道总信号功率（实线）与实测值（黑点）随共线（峰值）信号波长的定量对比进一步验证了计算结果。该解析模型无需耗时数值模拟即可直接应用于周期性极化晶体SPDC的多种实验构型，精确掌握SPDC发射的空间与光谱结构可为采用SPDC作为光子对源的功能器件设计提供预测依据。
关键词： 光谱学、周期性极化材料、SPDC（自发参量下转换）、自发参量下转换、量子光学成像
更新于2025-09-16 10:30:52
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 量子-经典图像提纯
摘要： 利用光的量子态进行成像，在分辨率、信噪比和灵敏度方面较传统方法具有优势。然而量子图像易受损耗及其他经典噪声源（如光学反射、背景照明等）影响，这些因素会抵消最终结果的任何优势。我们通过实验展示了一种技术，能够从包含量子光与经典光叠加的相机测量中选择性提纯量子图像。经典相干光照射的光子互不关联，而自发参量下转换（SPDC）产生的光子对在位置上具有关联性。实验中，我们在相机上叠加两幅不同图像（"死猫"与"活猫"）：一幅通过纠缠光子照射"死猫"强度掩?；竦?，另一幅通过经典LED光源照射"活猫"强度掩模获得。利用电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）相机的全动态范围，在高光子通量条件下，我们借助量子源的强度关联性从混合量子-经典图像中提取出"量子"图像，随后通过差分法重建经典图像。此外，我们研究了经典光对信噪比的影响，证明即使经典照明强度是量子照明的十倍时，仍能提取量子图像信息。
关键词： 经典噪声、强度关联、自发参量下转换、电子倍增CCD相机、量子成像
更新于2025-09-16 10:30:52
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 利用啁啾PPSLT脊形波导实现高效超宽带纠缠光子对产生
摘要： 一些最具前景的量子应用（如具有色散消除功能的高分辨率量子光学相干断层扫描技术以及量子密钥分发）都需要频率纠缠。因此，频率纠缠光源对实现诸多量子光学应用至关重要。迄今为止，产生纠缠光子对最突出的方法是在非线性晶体中进行自发参量下转换（SPDC）。近年来，采用啁啾准相位匹配（QPM）技术的周期性极化铌酸锂（PPSLT）被用作具有大带宽的纠缠光子源。然而，提高整体系统效率仍具挑战性。一种切实可行的方法是提升纠缠源的产生效率，我们利用0型PPSLT，通过采用啁啾QPM技术与脊形波导结构，开发出一种能高效产生频率纠缠光子对的源。实验中，我们使用了啁啾率为0%、3%和6.7%的10毫米长波导。将405纳米连续泵浦光耦合进波导后，我们将共线发射的光子馈入单模光纤，随后通过光谱仪观察其光谱。实验期间，所有波导的温度均设置为70.8°C（精度为0.1°C），以确保在多模波导中满足信号光、闲频光和泵浦光基模的简并相位匹配条件。如图1(a)所示，我们观察到0%啁啾波导（蓝点）发射出约20纳米带宽的类sinc函数光谱，此外，随着器件啁啾率的增加，我们还实现了光谱展宽。啁啾率为3%的器件测量结果显示出约240纳米带宽的光谱，而啁啾率为6.7%的器件产生的光谱带宽约为340纳米（橙点）。为准确评估共线发射光子的产生效率，我们使用50:50光纤分束器将其分离，因为信号光子和闲频光子共享相同的空间模式（脊形波导的基模），且在频率和偏振自由度上完全相同。图1(b)是采用啁啾率为3%的波导测量的功率依赖性结果，信号光和闲频光计数是从两个超导单光子探测器记录的事件计数率。我们估算产生效率为3.2×10?对/秒·微瓦。与之前使用啁啾块状QPM器件观测到的结果（2×103对/秒·微瓦）相比，该结果提高了约1000倍。
关键词： 脊形波导结构、频率纠缠、量子光学相干断层扫描、量子密钥分发、PPSLT（周期极化铌酸锂）、啁啾准相位匹配、自发参量下转换
更新于2025-09-16 10:30:52
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无需动量守恒的微尺度纠缠光子生成
摘要： 我们首次报道了无相位匹配（动量守恒）的自发参量下转换（SPDC）现象的观测结果。通过利用位置-动量不确定关系并采用平面几何结构光源——6微米厚的铌酸锂层，我们消除了对动量守恒的需求。非相位匹配SPDC为研究基础量子效应开辟了新平台，同时也具有实际应用价值。超薄厚度使其频谱宽度比相位匹配SPDC宽一个数量级。由于能量守恒，强双光子关联特性依然得以保持，从而产生超短时间关联宽度和巨大频率纠缠。本研究可视为进入微纳尺度非线性量子光学新兴领域的初始探索。
关键词： 量子光学、自发参量下转换、相位匹配、铌酸锂、频率纠缠、动量守恒
更新于2025-09-12 10:27:22
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[2019年IEEE欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 单非线性波导诱导相干中红外传感
摘要： 两个空间分离但不可区分的自发参量下转换（SPDC）过程之间诱导产生的相干性（IC），为非线性干涉测量技术的复兴奠定了基础，并催生了量子成像与中红外（MIR）光谱学的新应用[1,2]。这些应用利用了诱导相干性以及SPDC产生的信号光子与闲置光子之间的光谱或空间关联。本文通过基于系统经典格林函数（GF）的量子力学方法，从理论上对IC现象进行了普适性描述[3,4]。该形式体系特别适用于处理系统的一般线性光学特性（包括损耗）及其对IC现象的影响研究。此外，我们的方法能考虑非线性的任意空间分布特性，因而可用于描述具有不同数量光子对源的广义IC实验。我们提出一个采用单根非线性波导的传感实验[5]，并运用该形式体系研究IC效应。研究发现，在此情形下波导内部或周围的待测物质会影响非线性波导生成阶段的IC过程，从而形成无需MIR探测器即可实现中红外光谱检测的紧凑方案。
关键词： 自发参量下转换、量子成像、非线性干涉测量、中红外光谱学、诱导相干性
更新于2025-09-11 14:15:04
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 宇称-时间对称性增强的非线性量子光谱学
摘要： 基于非线性干涉仪的量子光谱技术因其独特的实用优势正受到越来越多的关注。通过定制自发参量下转换（SPDC）过程来产生频率关联光子及其非局域量子干涉，仅需在可见光波段检测成对光子，就能实现宽光谱范围的传感与成像。最新研究表明，非线性集成波导可提升量子光谱性能。然而尽管多波导集成电路制备技术已趋成熟，其在量子光谱领域的应用仍亟待开发。本文借鉴近期经典光学传感领域取得突破的对称性概念——宇称-时间（PT）对称性，提出了一种增强非线性量子干涉仪光谱性能的新原理。 如图1(a)所示测量构型：耦合至底部波导1的泵浦光束，在两个长度为l的黄色阴影区域（可通过周期性极化实现相位匹配）通过SPDC产生信号-闲频光子对。我们重点研究中红外光谱这一重要应用场景——当闲频波长λi > 2μm时，泵浦光与信号光处于可见光波段（λp,s < 1μm）。中央长度为L的无极化波导段内所有波以有效线性模式传播。核心创新在于引入与待测样品相互作用的第二波导2来测量其吸收率。通过调控波导间距使仅长波长闲频光子能以耦合系数Ci在波导间隧穿。虽然信号光子从不经过波导2，但借助信号-闲频光子对的非局域量子干涉，仅需统计首波导输出端的信号光子即可测定波导2的吸收强度。 图1(b)展示了生成区域的相位失配量Δβ与波导2归一化损耗（γi/Ci，由分析物诱导）对计数率的影响。通过调节泵浦波长可控制Δβ。值得注意的是，当γi/Ci达到临界值γcr时（见图1(c)），垂直轴上最大信号计数位置会出现半周期的陡峭偏移。此时临界值附近对微小吸收变化的灵敏度显著增强。通过波导耦合系数Ci可灵活设定临界吸收值，从而针对特定吸收水平优化器件工作状态，实现对样品特性的精准解析。
关键词： 集成波导、量子光谱学、宇称-时间对称性、自发参量下转换、非线性干涉仪
更新于2025-09-11 14:15:04
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[2019年欧洲激光与光电会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019年6月23日-27日）] 2019年欧洲激光与光电会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 一种用于42.66 GHz重复频率超快纠缠产生的皮秒脉冲激光器
摘要： 纠缠光子源是大多数量子信息应用（从量子通信系统到量子模拟器和全光子量子计算机）的关键元件。目前，自发参量下转换（SPDC）技术仍是最常用的产生此类光子纠缠的方法，该技术需要泵浦激光器和非线性介质。为提高上述应用的传输速率或门操作速度，需要泵浦激光器具备高时钟频率。此外，光子量子处理算法不仅要求光子具有高纠缠可见度，还需具备高光谱不可区分性和纯度。这可通过窄带光谱滤波实现（但会牺牲速率），或通过选择合适的泵浦脉冲宽度（通常为皮秒量级）达成。虽然已有研究尝试通过增加多空间路径来提升传统飞秒激光器的速率[1]，但该方法无法突破GHz重复频率限制。因此，研发具有极高重复频率、皮秒脉冲宽度及足够能量驱动微弱SPDC过程的泵浦激光器成为关键。 本文报道了一种紧凑型高速皮秒泵浦激光系统的实现方案，其纠缠光子对产生重复频率可达42.66 GHz。该纠缠光子源能在此高频下稳定运行，实际仅受探测器抖动限制。通过匹配PDC晶体长度与泵浦激光脉冲宽度[2]（无需窄带滤波），我们获得了具有最小光谱关联的高纯度偏振纠缠光子对。 该泵浦激光器采用单片集成锁模DBR激光器，发射固定42.66 GHz重复频率、1554 nm波长、1.8 ps脉宽的脉冲。如图1所示，由同一控制器驱动的强度调制器构成的脉冲选择器可调节实验用重复频率。经系列光学放大器将激光脉冲功率提升至25 dBm后，通过二次谐波产生?？樽晃屎螾DC过程的波长，最终输出777 nm泵浦脉冲。 我们的纠缠源基于萨格纳克干涉仪，其中ppKTP晶体受两个相向脉冲激光束泵浦。产生的1554 nm光子对经偏振分束器分离至不同空间模式，由光纤收集并用InGaAs探测器（10%效率）检测。纠缠偏振态实验分析显示平均可见度达0.95±0.01，对应CHSH参数S=2.685，与理论计算高度吻合?；贖ong-Ou-Mandel效应的双光子干涉也呈现出高纯度特性。
关键词： ppKTP晶体、量子信息应用、高时钟速率、萨尼亚克干涉仪、铟镓砷探测器、纠缠光子源、皮秒泵浦激光器、光谱纯度、自发参量下转换
更新于2025-09-11 14:15:04
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[2019年德国慕尼黑激光与电光学欧洲会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC)（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年激光与电光学欧洲会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 集成半导体量子光子学
摘要： 对于量子物理的基础测试以及量子通信而言，非经典光态是重要工具。本次报告中，我们将展示将非线性AlGaAs波导开发为半导体量子光子学平台的研究成果。大多数III-V族半导体具有强二阶光学非线性，但实现非线性相互作用的相位匹配向来困难。作为解决方案，布拉格反射波导能通过自发参量下转换高效产生光子对，这些波导有望与芯片上的泵浦激光器及无源/有源元件实现均匀集成。我们的波导可制备高保真度偏振[1]和时间-比特纠缠[2]光子对，其覆盖低损耗通信窗口内的大频段范围，适合通过波分复用服务多用户。所有应用中，能设计所需线性和非线性特性至关重要，这也使得精确表征成为必要——为此我们开发了傅里叶变换法布里-珀罗光谱技术[3]，能以超高精度获取器件关键参数。我们还将展示电注入激光器与非线性转换集成器件的研究成果：四元量子点层作为增益介质，在法布里-珀罗波导激光器中实现室温布拉格模式激射（即产生光子对的泵浦模式）。最后我们将展望构建完整半导体量子光子学平台的器件集成方向。
关键词： AlGaAs波导、光子对、布拉格反射波导、量子光子学、傅里叶变换法布里-珀罗光谱学、自发参量下转换
更新于2025-09-11 14:15:04