CN115561944B - 一种宣布式单光子源产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宣布式单光子源产生装置及方法，包括；第一微环谐振腔与波导处于临界耦合状态；第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔半径的一半；第一微环谐振腔用于控制谐振峰分布以及等效的耦合系数；第二微环谐振腔用于泵浦光的谐振，在自发四波混频作用下，信号光和闲频光波长处自发生成光子对；生成的信号光子和闲频光子在第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长处产生。生成的信号光子和闲频光子在对应的过耦合谐振峰处产生，从而能够以更高的概率耦合进入波导，从而提升信号光子和闲频光子同时离开微环进入波导的概率，以此提高量子光源的宣布效率。本发明通过调控基于微环谐振腔的量子光源的谐振峰，达到提升宣布式单光子源宣布效率的效果。

Description

一种宣布式单光子源产生装置及方法
技术领域
本发明属于量子光学领域，更具体地，涉及一种宣布式单光子源产生装置及方法。
背景技术
量子信息技术是利用量子力学非经典的性质来实现前所未有的信息技术，包括量子计算、量子秘钥分发、量子精密测量。量子技术的实现方法包络三个主要部分，分别是量子态的产生、量子态的操作和量子态的探测。在光量子技术中，集成量子光源具有重要的地位，它作为量子态产生的工具，需要具有一系列优良的性质。一种被称为宣布式单光子源的量子光源在光量子技术中具有广泛的应用，基于微环谐振腔的宣布式单光子源是集成光量子技术不可或缺的一部分。然而，传统的基于微环的宣布式单光子源存在一个问题，即在微环中产生的信号光子和闲频光子在临界耦合的条件下，仅以比较低的概率耦合出微环，从而没有办法保证在探测到信号光子的情况下，闲频光子一定存在，这样的缺陷导致了宣布式单光子源不再具有真正的宣布意义。通过改变微环谐振腔的光谱结构，可以影响微环系统的带宽以及耦合系数，实现更高的光子对宣布效率，从而让量子光源能够很好地在量子技术中得到应用。
宣布式单光子源具有重要的实用意义，通过探测自发非线性过程中同一时刻产生的一对光子中的一个，就可以“宣布”另一个光子的存在。对比传统的光子发射器，这样的宣布操作完全确定了光子在时间域上某一时刻的存在，对于后续利用单光子实现量子操作提供了时间上的保证。利用微环谐振腔，通过将一束脉冲泵浦光耦合进入环中，在自发四波混频效应的作用下，在频域关于泵浦光对称的位置处，一对信号光子和闲频光子会自发地产生，并且在时间上是完全同时产生的，如图1所示；利用这一同时产生光子对的性质，我们可以通过探测其中一个光子以确定另外一个光子的存在，这就是宣布式单光子源的基本概念。
在单一的微环谐振腔结构中，由于泵浦光的谐振峰和信号光，闲频光的谐振峰具有相同的宽度，这一宽度由单一的波导和环的耦合系数决定。所以，在光子产生效率最高的临界耦合条件下，信号光和闲频光谐振峰对应的耦合系数是比较小的，导致了信号光子和闲频光子不能完全耦合进入波导，离开微环，这有可能让宣布操作失败。
在已有的片上基于非线性过程的宣布式单光子源方案中，有几种方法能够实现有效的宣布操作。在基于波导的非线性单光子源中，由于不存在微环和波导耦合，光子直接在波导中产生，因此在没有损耗的近似下，一对光子一定能同时被取得，此时的光子对宣布效率为1。然而，波导中因为没有谐振结构，泵浦光子的密度非常小，导致非线性效应非常弱，因此无法实现高亮度，高光子产生率的宣布式光源。基于微环谐振腔的宣布式光源，得益于微环极大的场增强效应，可以得到的光子产量能够高于波导几个数量级，因此非常具有实用意义。基于微环的宣布式单光子源的宣布效率是一个需要优化的参数，现有的方法提高宣布效率的方法是利用非对称耦合的技术提升信号光和闲频光对应谐振峰的耦合系数，例如，利用非对称马赫-曾德尔干涉臂耦合的微腔来实现。但是这种方法在对器件的实现上具有一定的弊端，器件的耦合点比较多，在芯片的流片过程中难以控制耦合强度的大小和损耗。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种宣布式单光子源产生装置及方法，旨在解决基于自发非线性过程的宣布式单光子源中，谐振峰耦合系数低导致的光子对宣布效率低的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种宣布式单光子源产生装置，包括：波导、第一微环谐振腔以及第二微环谐振腔；
所述波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的一半，以使第一微环谐振腔的谐振峰间距为第二微环谐振腔的谐振峰间距的两倍，所述第二微环谐振腔的谐振峰包括重叠谐振峰和非重叠谐振峰，所述第一微环谐振腔谐振的峰位置与所述重叠谐振峰的位置重叠，每两个重叠谐振峰之间存在一个非重叠谐振峰；
设所述第一微环谐振腔的本征损耗和波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔的本征损耗为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔在所述重叠谐振峰处产生模式劈裂，以将两个微环谐振腔重叠的谐振峰展宽，使得两个微环谐振腔耦合后的谐振峰呈宽窄宽的趋势分布；其中，窄谐振峰为所述非重叠谐振峰，宽谐振峰为展宽后的谐振峰；
在窄谐振峰处向波导的一侧输入泵浦光，在宽谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，所述信号光光子和闲频光光子耦合进入波导，作为宣布式单光子源从波导的另一侧输出；控制两个微环谐振腔的本征损耗以及波导与第一微环谐振腔的耦合系数以控制宽谐振峰和窄谐振峰的带宽，使第二微环谐振腔在宽谐振峰处与波导的等效耦合系数相对较高，以提高所述宣布式单光子源的宣布效率；所述宣布效率指在探测器的探测效率为理想情况下，其探测到信号光光子时闲频光光子同时被探测到的概率。
在一个可选的示例中，所述第一微环谐振腔与波导的耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的耦合系数为第二耦合系数；
控制第一耦合系数和第二耦合系数使第二微环谐振腔在窄谐振峰处与波导临界耦合，以提高自发四波混频的转换效率，从而提升宽谐振峰处信号光光子和闲频光光子的产生效率。
在一个可选的示例中，所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔组成谐振腔系统，所述波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态，使窄谐振峰处向波导输入的泵浦光完全耦合进入第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，并在第二谐振腔建立谐振；
所述波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态，具体为：通过调节所述波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得波导引入的耦合损耗等于第一微环谐振腔本征损耗和第二微环谐振腔本征损耗二者之和。
在一个可选的示例中，控制第一微环谐振腔的本征损耗、第二微环谐振腔的本征损耗、第一耦合系数，以调节宽谐振峰的带宽；控制第二微环谐振腔的本征损耗，以调节窄谐振峰的带宽；所述宽谐振峰的带宽相对窄谐振峰的带宽越大，所述第二微环谐振腔在宽谐振峰处与波导的等效耦合系数越高；
在控制重叠谐振峰处产生模式劈裂，且控制波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态后，通过增加第一耦合系数和第一微环谐振腔的本征损耗，提高宽谐振峰处的带宽。
在一个可选的示例中，所述信号光光子和闲频光光子的波长关于泵浦光的波长对称；
所述泵浦光的波长为窄谐振峰对应的波长；信号光光子和闲频光光子的波长为宽谐振峰对应的波长；
所述泵浦光在第二微环谐振腔内产生谐振，在第一微环谐振腔内不能产生谐振；信号光光子和闲频光光子在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内产生谐振。
第二方面，本发明提供了一种宣布式单光子源产生方法，包括如下步骤：
将波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的一半，以使第一微环谐振腔的谐振峰间距为第二微环谐振腔的谐振峰间距的两倍，所述第二微环谐振腔的谐振峰包括重叠谐振峰和非重叠谐振峰，所述第一微环谐振腔谐振的峰位置与所述重叠谐振峰的位置重叠，每两个重叠谐振峰之间存在一个非重叠谐振峰；
设所述第一微环谐振腔的本征损耗和波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔的本征损耗为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔在所述重叠谐振峰处产生模式劈裂，以将两个微环谐振腔重叠的谐振峰展宽，使得两个微环谐振腔耦合后的谐振峰呈宽窄宽的趋势分布；其中，窄谐振峰为所述非重叠谐振峰，宽谐振峰为展宽后的谐振峰；
在窄谐振峰处向波导的一侧输入泵浦光，在宽谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，所述信号光光子和闲频光光子耦合进入波导，作为宣布式单光子源从波导的另一侧输出；控制两个微环谐振腔的本征损耗以及波导与第一微环谐振腔的耦合系数以控制宽谐振峰和窄谐振峰的带宽，使第二微环谐振腔在宽谐振峰处与波导的等效耦合系数相对较高，以提高所述宣布式单光子源的宣布效率；所述宣布效率指在探测器的探测效率为理想情况下，其探测到信号光光子时闲频光光子同时被探测到的概率。
在一个可选的示例中，所述第一微环谐振腔与波导的耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的耦合系数为第二耦合系数；
控制第一耦合系数和第二耦合系数使第二微环谐振腔在窄谐振峰处与波导临界耦合，以提高自发四波混频的转换效率，从而提升宽谐振峰处信号光光子和闲频光光子的产生效率。
在一个可选的示例中，所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔组成谐振腔系统；
所述波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态，使窄谐振峰处向波导输入的泵浦光完全耦合进入第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，并在第二谐振腔建立谐振；
所述波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态，具体为：通过调节所述波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得波导引入的耦合损耗等于第一微环谐振腔本征损耗和第二微环谐振腔本征损耗二者之和。
在一个可选的示例中，控制第一微环谐振腔的本征损耗、第二微环谐振腔的本征损耗、第一耦合系数，以调节宽谐振峰的带宽；
控制第二微环谐振腔的本征损耗，以调节窄谐振峰的带宽；所述宽谐振峰的带宽相对窄谐振峰的带宽越大，所述第二微环谐振腔在宽谐振峰处与波导的等效耦合系数越高；
在控制重叠谐振峰处产生模式劈裂，且控制波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态后，增加第一耦合系数和第一微环谐振腔的本征损耗，以提高宽谐振峰处的带宽。
在一个可选的示例中，所述信号光光子和闲频光光子的波长关于泵浦光的波长对称；
所述泵浦光的波长为窄谐振峰对应的波长；信号光光子和闲频光光子的波长为宽谐振峰对应的波长；
所述泵浦光在第二微环谐振腔内产生谐振，在第一微环谐振腔内不能产生谐振；信号光光子和闲频光光子在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内产生谐振。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种宣布式单光子源产生装置及方法，输入泵浦光在第二微环谐振腔内能产生谐振，在第一微环谐振腔内不能产生谐振。信号光和闲频光在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内都能产生谐振，并且由于两个微环谐振腔谐振峰的耦合，谐振峰宽度有所增加，从而达到等效耦合系数增大的目的，实现分立地调控微环谐振腔的光谱功能。此时，由于微环谐振腔的场增强效应，信号光子和闲频光子产生的速率相较于波导有所增加。同时，由于信号光和闲频光处的耦合系数增大，两个光子同时耦合离开微环谐振腔的概率增大，实现宣布效率的提升。当宣布效率接近于100％时，也就是，当每一个信号光子耦合出微环谐振腔时，其对应的闲频光子同时也可以耦合出微环，这时的宣布式单光子源才真正有效。
本发明提供一种宣布式单光子源产生装置及方法，通过两个微环谐振腔耦合的结构为基础，微环谐振腔结构较小，(一般半径在微米尺度内下)，相比高非线性光纤结构(一般长度在百米级以上)，可以在芯片上更好地集成化。
本发明提供一种宣布式单光子源产生装置及方法，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔以及波导为三阶非线性材料，这种材料损耗相对比较低，可以降低功耗。
本发明提供一种宣布式单光子源产生装置及方法，第一微环谐振腔与所述第二微环谐振腔耦合波长处的谐振峰产生模式劈裂的方法为：使所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔之间的耦合强度值大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一；上述耦合强度值的设置为谐振峰刚开始劈裂，但是谐振峰并没有完全劈裂的状态；当两个谐振峰处于上述状态之间能更好实现量子光子的产生并用于实际。
附图说明
图1是现有技术提供的自发四波混频原理的示意图；
图2是本发明实施例提供的两个微环谐振腔和一个波导耦合的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的波导输出端的透射谱强度图；
图4是本发明实施例提供的第二微环谐振腔内部的强度增强谱图；
图5是本发明实施例提供的宣布式单光子源产生方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种宣布式单光子源产生装置及方法，属于量子光学领域，系统包括；第一微环谐振腔、第二微环谐振腔和波导；第一微环谐振腔与所述波导处于临界耦合状态；第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔半径的一半；第二微环谐振腔用于泵浦光的谐振，泵浦光的谐振，在自发四波混频作用下，能在信号光和闲频光波长处自发生成光子对；生成的信号光子和闲频光子在第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合的谐振峰对应的波长处产生；泵浦光的波长为第二微环谐振腔的谐振峰，且不是第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长。第一微环谐振腔和第二微环谐振腔耦合的谐振峰会发生展宽，并且该展宽谐振峰对应的等效耦合系数上升。本发明通过调控基于微环谐振腔的量子光源的谐振峰，从而调控耦合系数，达到提升信号光子和闲频光子耦合出微环的概率，从而提升量子光源的宣布效率。
本发明提供了一种宣布式单光子源产生装置，包括：第一微环谐振腔、第二微环谐振腔和波导；
第一微环谐振腔与波导的耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合，耦合系数为第二耦合系数，耦合波长处的谐振峰对应的模式部分劈裂；耦合获取的谐振峰带宽比原本未耦合的谐振峰带宽大；第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的一半；
波导用于输入泵浦光和输出信号光和闲频光；第一微环谐振腔用于信号光谐振峰和闲频光谐振峰的耦合系数的调节；第二微环谐振腔用于泵浦光的谐振，在自发四波混频作用下，信号光和闲频光自发地产生；
其中，信号光和闲频光的波长关于泵浦光的波长对称；泵浦光的波长为第二微环谐振腔的谐振峰对应的波长，且不是第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长；信号光与闲频光的波长为第一微环谐振腔的谐振峰和第二微环谐振腔对应的谐振峰耦合对应的波长。
优选地，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的材料为三阶非线性材料。
优选地，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的耦合强度值大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一是实现第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合波长处的谐振峰产生模式劈裂的条件；
其中，第一损耗为第一微环谐振腔本征损耗和波导引入的耦合损耗的总损耗；
第二损耗为第二微环谐振腔的本征损耗。
优选地，微环谐振腔系统与波导处于临界耦合状态的获取方法为：
通过调节波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得波导引入的耦合损耗与其他剩余损耗相等。
优选地，在所述窄谐振峰处向所述波导输入泵浦光，在所述展宽的谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，控制微环谐振腔的本征损耗以及波导与微环谐振腔的耦合系数控制谐振峰的带宽，使展宽后谐振峰的带宽远大于窄谐振峰带宽，从而使等效耦合系数增大，使得所产生的信号光光子和闲频光光子更多地耦合进入波导，提升宣布式单光子源的宣布效率。
优选地，控制第一微环谐振腔的本征损耗和第二谐振腔的本征损耗，以及第一耦合系数，可以控制耦合的谐振峰的带宽(宽峰)；控制第二微环谐振腔的本征损耗，可以控制不发生耦合的谐振峰的带宽；当参数设置满足产生模式劈裂和泵浦光临界耦合的要求时，通过增加第一耦合系数和第一谐振腔的本征损耗，可以使信号光、闲频光振谐峰加宽。
另一方面，本发明基于上述宣布式单光子源产生装置，提供了相应的量子光子产生方法，包括以下步骤：
将泵浦光输入至第二微环谐振腔中进行谐振增强，提高第二微环谐振腔内的功率；
信号光与闲频光在自发四波混频的作用下，基于自发四波混频的相位匹配条件，自发地在第二微环谐振腔内产生信号光子和闲频光子；
信号光和闲频光经过第一微环谐振腔，由波导的输出端输出；
其中，所述第一微环谐振腔与波导处于临界耦合状态，所述第一微环谐振腔与所述第二微环谐振腔耦合波长处的谐振峰对应的模式部分劈裂；所述第一微环谐振腔的半径为所述第二微环谐振腔半径的一半；
信号光和闲频光的波长关于泵浦光的波长对称；泵浦光的波长为第二微环谐振腔的谐振峰对应的波长，且不是第一微环谐振腔的谐振峰对应的波长；信号光与闲频光的波长为第一微环谐振腔的谐振峰和第二微环谐振腔对应的谐振峰耦合对应的波长。
优选地，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合波长处的谐振峰产生模式劈裂的方法为：使第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的耦合强度值大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一；
其中，第一损耗为第一微环谐振腔本征损耗和波导引入的耦合损耗的总损耗；
第二损耗为第二微环谐振腔本征损耗。
优选地，第一微环谐振腔与所述波导处于临界耦合状态的获取方法为：
通过调节所述波导与所述第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得所述波导引入的耦合损耗与其他剩余损耗相等。
本发明先采用两个不同的微环谐振腔互相耦合，再采用一个波导对其中第一微环谐振腔耦合；利用微环谐振腔的互相耦合以及波导对微环谐振腔的耦合带来的效果，调节信号光和闲频光的谐振峰，将其展宽，并且不影响泵浦谐振峰的高品质因子，在保证自发四波混频的效率的同时，实现高宣布效率的信号光子和闲频光子对产生，从而成功地实现具有独特性质的高品质量子光源。同时，系统的高集成度和低功耗能够很好地确保其在集成量子应用中展现作用。
本发明提供的宣布式单光子源产生装置具备如下特点：
(1)第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的尺寸不同，第一微环谐振腔周长可以设置为第二微环谐振腔周长的一半；与此同时两个微环谐振腔的损耗越低越好，以保证高的光子产生效率。
(2)耦合的信号光和闲频光谐振峰要保证大带宽，从而得到大的等效耦合系数。
(3)第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合要能保证两环耦合处的谐振峰产生轻微的模式劈裂；为达到该效果，需要使第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合强度值大于第二微环谐振腔的本征损耗、第一微环谐振腔的本征损耗和波导带来的耦合损耗之和的四分之一；例如，可将第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合强度值取为第一损耗和第二损耗之间差值四分之一的1.1倍；其中，第一损耗为第一微环谐振腔本征损耗和波导引入的耦合损耗的总损耗；第二损耗为第二微环谐振腔本征损耗。
(4)波导与第一谐振腔间耦合要保证达到临界耦合；通过调控波导和第一谐振腔的耦合强度，使波导带来的耦合损耗和系统其他整体损耗大致相等，此时能达到临界耦合，使在波导输入光在其输出口基本消光。
作为本发明的一个实施例，所述第一耦合系数和第二耦合系数的选取要保证窄谐振峰临界耦合，且耦合的谐振峰展宽；其中，第一耦合系数是指波导与第一微环谐振腔之间的耦合系数，第二耦合系数是指第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合系数。
本发明提供的宣布式单光子源产生装置可以根据如下方法制备：
(1)根据微环谐振腔的损耗，确定泵浦谐振峰处于临界耦合状态，比如要求泵浦谐振峰消光比大于15dB；
(2)根据临界耦合状态确定耦合系数，比如可以将耦合系数设定为：第一耦合系数为0.74，第二耦合系数为0.4；
(3)根据耦合系数确定信号光的带宽和闲频光的带宽，确定模式劈裂可以发生但不完全劈开，得到的信号光和闲频光的谐振峰带宽大于泵浦光的谐振峰带宽；
(4)将两个尺寸不同的第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合，再将波导和第一微环谐振腔耦合，由此构成双谐振腔单波导的结构。
按照上述方法提供的宣布式单光子源产生装置，从第一微环谐振腔耦合的波导一侧输入一束能在第二谐振腔内谐振但不能在第一微环谐振腔内谐振的泵浦光，所产生的信号光的波长与闲频光的波长为第一微环谐振腔和第二微环谐振腔谐振峰耦合对应的波长，且关于泵浦波长对称；由于波导与微环谐振腔系统之间达到了临界耦合，使得泵浦光全部耦合至第二微环谐振腔内，在第二谐振腔内得到极大的谐振增强，使得第二微环谐振腔内功率水平很高，导致自发四波混频效率很高；在第一微环谐振腔内，泵浦光不会产生谐振，导致泵浦光功率很低，所以自发四波混频过程在第一谐振腔内基本不会发生；由于产生的信号光和闲频光在两个微环中都谐振，并且选取的两个耦合系数较大，所以信号光和闲频光会以大的概率耦合离开微环，进入波导从而输出。
根据自发四波混频的相位匹配条件，在上述泵浦光的设置方式下，信号光会在信号光波长处产生，闲频光会在闲频光波长处产生，且信号光波长和闲频光波长关于泵浦光波长对称；同时因为在上述光谱的设置方式，信号光和泵浦光的谐振峰因为两个微环谐振腔的耦合而展宽，等效地提高了环对波导的耦合系数，提高了光子对的宣布效率。
本发明提供的高宣布效率的宣布式光子对的发射而且设计起来非常方便。
为了更进一步说明本发明提供的高宣布效率的宣布式光子对产生装置的优势，现将其与现有技术进行比较分析：
(1)与高非线性光纤系统相比，本发明提供的光子对产生系统系统包含双谐振腔单波导结构，由于微环谐振腔的谐振增强作用，比高非线性的增强大了很多倍，所需的材料长度大大降低，使得该结构更适合集成化和小型化，同时，不需要特别的色散管理，即可实现高宣布效率的光子对发射；并且，集成材料平台存在高非线性。
(2)与波导结构相比，本发明提供的高宣布概率光子对产生系统利用微环谐振腔的谐振增强作用，可以显著的降低功耗，并且泵浦谐振峰处于临界耦合状态，具有最大的非线性增益。
(3)本发明可以很好地兼顾光子对的发射速率，光源亮度以及高效率的宣布计数光子对的发射，实现功能性的，能广泛应用的量子光源。
(4)本发明从结构设计上解决了微环谐振腔用于宣布式单光子源的情况时，低宣布效率的问题，这样的结构可以应用在多种集成非线性材料平台上，并不局限于某种单一的材料。
利用双谐振腔单波导结构实现自发四波混频产生量子光子，原理如图1所示。利用非简并自发四波混频(SFWM)，如图1一束中心频率为ωp的泵浦光自发地将能量传输给频率为ωs的信号光和频率为ωi的闲频光，信号光和闲频光的频率位于泵浦光的两侧并且关于泵浦光对称。三束光的频率满足2ωp＝ωs+ωi。
如图2所示，使用两个损耗系数很低且半径不一的两个微环谐振腔相互耦合。根据微环谐振条件，当入射光波长满足
Figure BDA0003834754190000131
时，输入光会在微环谐振器内发生谐振。其中，m为谐振阶数；neff为材料的有效折射率；L为微环谐振腔的长度；图2中两微环谐振腔的周长分别为L1，L2；通过对材料的选择和微环半径的选择，使得两微环谐振腔之间具有一个对准的谐振峰，要求第一微环谐振腔的周长为第二微环谐振腔的一半，对准的谐振峰相互耦合，对应的波长可以同时在双环内达到谐振状态。
一般可选用两材料相同，半径不同的微环谐振腔。如使用neff＝2.45的材料，L1＝157um，L2＝314um的两环，在1554.7nm处均为两微环谐振腔的谐振波长。由于两个微环谐振腔的半径不同，自由光谱范围(FSR)存在一些没有对准的谐振峰，在这些波长处两个微环谐振腔没有耦合，互相影响极小，如图3中间的谐振峰所示。同时由于两个环的周长存在着倍数关系，所以每隔一定的周期，两环的谐振峰会重合，此时两个微环谐振腔处于耦合状态，由于耦合作用使得对准处的谐振峰有很大的带宽和等效耦合系数，如图3左右两边的谐振峰所示。
在本发明中，通过波导和微环谐振腔进行侧面耦合，具体如下：第一微环谐振腔耦合的波导输入泵浦光，其波长对应于图4中间的谐振峰，调节波导与谐振腔系统的耦合，使其处于临界耦合状态，此时泵浦光在第二微环谐振腔内得到极大的谐振增强；在第二微环谐振腔内，满足相位匹配条件的谐振峰处，如图4两边的谐振峰，会自发地产生信号光和闲频光子对，此处应注意，只要满足信号光波长和闲频光波长对应于耦合的谐振峰波长，并且关于泵浦光频率对称即可，可以间隔多个第一微环谐振腔的FSR。
波导与第一微环谐振腔的耦合系数为k1，传输系数为r1，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔之间的耦合系数为k2，传输系数为r2。第一微环谐振腔的环程透过系数为a1，第二谐振腔的环程透过系数为a2，微环谐振腔的环程透过系数决定了自身的损耗a＝exp(-βL/2)大小，其中，β为微环谐振腔中的光场传输损耗系数，包括弯曲损耗和散射损耗等等。微环谐振腔的环程透过系数a与微环谐振腔的腔长和光场传输损耗系数β有关。
对双微环系统，有
Figure BDA0003834754190000141
Fp为场增强因子，通过调节参数可以使
Figure BDA0003834754190000142
此时泵浦光处于临界耦合状态，拥有高增益，并且信号光谐振峰和闲频光谐振峰展宽，得到高的等效耦合系数
Figure BDA0003834754190000151
上述的一组具体参数值由下表1给出；
表1
Figure BDA0003834754190000152
在基于单一微环自发四波混频的量子光源中，假设波导、环耦合系数为ks一个光子在一次耦合中微环的概率为
Figure BDA0003834754190000153
一对光子同时耦合离开微环的概率是
Figure BDA0003834754190000154
在单环临界耦合条件下，ks是非常小的，通常小于0.1，那么两光子同时离开微环的概率就非常小。在能够独立调控微环谐振腔各个谐振峰的情况下，信号光谐振峰和闲频光谐振峰能够展宽，同时，两个谐振峰对应的等效耦合系数可以被调节得很大，信号光子和闲频光子同时耦合离开微腔的概率就可以大幅增大，提升量子光源系统的宣布效率。在单一谐振峰内，一个光子耦合离开微环谐振腔的概率为(1-r2)/(1-r2a2)，其中r是之前所述的传输系数，a是环程透过系数。两个光子同时耦合离开微环谐振腔的概率就是[(1-r2)/(1-r2a2)]2，这一概率即宣布概率。在临界耦合条件的单一微环谐振腔系统中，这一概率大约为24％。而在可调控谐振峰的微环谐振腔系统中，通过增大等效的信号光耦合系数和闲频光耦合系数，例如在表1给出的一组参数中，这一概率可以提高到85％。而在更加极端的强耦合条件下，两光子的宣布概率可以进一步提高，甚至接近100％。这样高宣布概率的宣布式单光子源在量子技术的应用中具有很好的应用前景。
本发明实施例中通过构建双谐振腔单波导耦合结构，实现了光谱的分立调控，对信号光和闲频光谐振峰进行展宽，从而提高耦合系数，实现高宣布效率的量子光子对产生。
输入泵浦光在第二微环谐振腔内产生谐振，在第一微环谐振腔内不能产生谐振；信号光和闲频光在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内产生谐振。此时，由于波导与微环谐振腔的耦合系数在每个谐振峰处不同，泵浦光谐振峰较窄，耦合系数小，而信号光和闲频光的谐振峰展宽，耦合系数大，实现了产生的信号光子和闲频光子具有更高的概率耦合进入波导、提升光子对宣布效率的目的。
图5是本发明实施例提供的宣布式单光子源产生方法流程图，如图5所示，包括如下步骤：
S101，将波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的一半，以使第一微环谐振腔的谐振峰间距为第二微环谐振腔的谐振峰间距的两倍，所述第二微环谐振腔的谐振峰包括重叠谐振峰和非重叠谐振峰，所述第一微环谐振腔谐振的峰位置与所述重叠谐振峰的位置重叠，每两个重叠谐振峰之间存在一个非重叠谐振峰；
S102，设所述第一微环谐振腔的本征损耗和波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔的本征损耗为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔在所述重叠谐振峰处产生模式劈裂，以将两个微环谐振腔重叠的谐振峰展宽，使得两个微环谐振腔耦合后的谐振峰呈宽窄宽的趋势分布；其中，窄谐振峰为所述非重叠谐振峰，宽谐振峰为展宽后的谐振峰；
S103，在窄谐振峰处向波导的一侧输入泵浦光，在宽谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，所述信号光光子和闲频光光子耦合进入波导，作为宣布式单光子源从波导的另一侧输出；控制两个微环谐振腔的本征损耗以及波导与第一微环谐振腔的耦合系数以控制宽谐振峰和窄谐振峰的带宽，使第二微环谐振腔在宽谐振峰处与波导的等效耦合系数相对较高，以提高所述宣布式单光子源的宣布效率；所述宣布效率指在探测器的探测效率为理想情况下，其探测到信号光光子时闲频光光子同时被探测到的概率。
具体地，图5中各个步骤的详细方法实现可参见前述装置实施例中的介绍，在此不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宣布式单光子源产生装置，其特征在于，包括：波导、第一微环谐振腔以及第二微环谐振腔；
所述波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的一半，以使第一微环谐振腔的谐振峰间距为第二微环谐振腔的谐振峰间距的两倍，所述第二微环谐振腔的谐振峰包括重叠谐振峰和非重叠谐振峰，所述第一微环谐振腔谐振的峰位置与所述重叠谐振峰的位置重叠，每两个重叠谐振峰之间存在一个非重叠谐振峰；
设所述第一微环谐振腔的本征损耗和波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔的本征损耗为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔在所述重叠谐振峰处产生模式劈裂，以将两个微环谐振腔重叠的谐振峰展宽，使得两个微环谐振腔耦合后的谐振峰呈宽窄宽的趋势分布；其中，窄谐振峰为所述非重叠谐振峰，宽谐振峰为展宽后的谐振峰；
在窄谐振峰处向波导的一侧输入泵浦光，在宽谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，所述信号光光子和闲频光光子耦合进入波导，作为宣布式单光子源从波导的另一侧输出；控制两个微环谐振腔的本征损耗以及波导与第一微环谐振腔的耦合系数以控制宽谐振峰和窄谐振峰的带宽，使第二微环谐振腔在宽谐振峰处与波导的等效耦合系数相对较高，以提高所述宣布式单光子源的宣布效率；所述宣布效率指在探测器的探测效率为理想情况下，其探测到信号光光子时闲频光光子同时被探测到的概率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一微环谐振腔与波导的耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的耦合系数为第二耦合系数；
控制第一耦合系数和第二耦合系数使第二微环谐振腔在窄谐振峰处与波导临界耦合，以提高自发四波混频的转换效率，从而提升宽谐振峰处信号光光子和闲频光光子的产生效率。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔组成谐振腔系统，所述波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态，使窄谐振峰处向波导输入的泵浦光完全耦合进入第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，并在第二谐振腔建立谐振；
所述波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态，具体为：通过调节所述波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得波导引入的耦合损耗等于第一微环谐振腔本征损耗和第二微环谐振腔本征损耗二者之和。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，控制第一微环谐振腔的本征损耗、第二微环谐振腔的本征损耗、第一耦合系数，以调节宽谐振峰的带宽；控制第二微环谐振腔的本征损耗，以调节窄谐振峰的带宽；所述宽谐振峰的带宽相对窄谐振峰的带宽越大，所述第二微环谐振腔在宽谐振峰处与波导的等效耦合系数越高；
在控制重叠谐振峰处产生模式劈裂，且控制波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态后，通过增加第一耦合系数和第一微环谐振腔的本征损耗，提高宽谐振峰处的带宽。
5.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述信号光光子和闲频光光子的波长关于泵浦光的波长对称；
所述泵浦光的波长为窄谐振峰对应的波长；信号光光子和闲频光光子的波长为宽谐振峰对应的波长；
所述泵浦光在第二微环谐振腔内产生谐振，在第一微环谐振腔内不能产生谐振；信号光光子和闲频光光子在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内产生谐振。
6.一种宣布式单光子源产生方法，其特征在于，包括如下步骤：
将波导与第一微环谐振腔耦合，第一微环谐振腔与第二微环谐振腔耦合；所述第一微环谐振腔的半径为第二微环谐振腔的半径的一半，以使第一微环谐振腔的谐振峰间距为第二微环谐振腔的谐振峰间距的两倍，所述第二微环谐振腔的谐振峰包括重叠谐振峰和非重叠谐振峰，所述第一微环谐振腔谐振的峰位置与所述重叠谐振峰的位置重叠，每两个重叠谐振峰之间存在一个非重叠谐振峰；
设所述第一微环谐振腔的本征损耗和波导引入的耦合损耗之和为第一损耗，所述第二微环谐振腔的本征损耗为第二损耗，控制第一微环谐振腔和第二微环谐振腔之间的距离以控制两个微环谐振腔之间的耦合强度，使所述耦合强度大于第一损耗和第二损耗之间差值的四分之一，以控制所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔在所述重叠谐振峰处产生模式劈裂，以将两个微环谐振腔重叠的谐振峰展宽，使得两个微环谐振腔耦合后的谐振峰呈宽窄宽的趋势分布；其中，窄谐振峰为所述非重叠谐振峰，宽谐振峰为展宽后的谐振峰；
在窄谐振峰处向波导的一侧输入泵浦光，在宽谐振峰处自发产生信号光光子和闲频光光子，所述信号光光子和闲频光光子耦合进入波导，作为宣布式单光子源从波导的另一侧输出；控制两个微环谐振腔的本征损耗以及波导与第一微环谐振腔的耦合系数以控制宽谐振峰和窄谐振峰的带宽，使第二微环谐振腔在宽谐振峰处与波导的等效耦合系数相对较高，以提高所述宣布式单光子源的宣布效率；所述宣布效率指在探测器的探测效率为理想情况下，其探测到信号光光子时闲频光光子同时被探测到的概率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一微环谐振腔与波导的耦合系数为第一耦合系数；第一微环谐振腔与第二微环谐振腔的耦合系数为第二耦合系数；
控制第一耦合系数和第二耦合系数使第二微环谐振腔在窄谐振峰处与波导临界耦合，以提高自发四波混频的转换效率，从而提升宽谐振峰处信号光光子和闲频光光子的产生效率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔组成谐振腔系统；
所述波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态，使窄谐振峰处向波导输入的泵浦光完全耦合进入第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，并在第二谐振腔建立谐振；
所述波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态，具体为：通过调节所述波导与第一微环谐振腔的距离调节第一耦合系数，使得波导引入的耦合损耗等于第一微环谐振腔本征损耗和第二微环谐振腔本征损耗二者之和。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，控制第一微环谐振腔的本征损耗、第二微环谐振腔的本征损耗、第一耦合系数，以调节宽谐振峰的带宽；
控制第二微环谐振腔的本征损耗，以调节窄谐振峰的带宽；所述宽谐振峰的带宽相对窄谐振峰的带宽越大，所述第二微环谐振腔在宽谐振峰处与波导的等效耦合系数越高；
在控制重叠谐振峰处产生模式劈裂，且控制波导在窄谐振峰处与微环谐振腔系统处于临界耦合状态后，增加第一耦合系数和第一微环谐振腔的本征损耗，以提高宽谐振峰处的带宽。
10.根据权利要求6至9任一项所述的方法，其特征在于，所述信号光光子和闲频光光子的波长关于泵浦光的波长对称；
所述泵浦光的波长为窄谐振峰对应的波长；信号光光子和闲频光光子的波长为宽谐振峰对应的波长；
所述泵浦光在第二微环谐振腔内产生谐振，在第一微环谐振腔内不能产生谐振；信号光光子和闲频光光子在第一微环谐振腔和第二微环谐振腔内产生谐振。
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