CN117471815B - 一种光子对联合光谱强度调控的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光子对联合光谱强度调控的系统及方法，系统包括：总线波导和微环谐振腔；总线波导与微环谐振腔耦合；微环谐振腔包括散射点；散射点用于向第一谐振峰引入额外损耗，使得第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰；当脉冲泵浦光从总线波导的一侧输入时，泵浦光耦合进入微环谐振腔，在微环谐振腔的第一谐振峰处谐振，在SFWM作用下产生光子对，之后从总线波导的另一侧输出；当泵浦光的带宽完全覆盖两个第二谐振峰的带宽时，能够拓宽SFWM作用过程中泵浦光的相位匹配范围，增加频率域中频率信道的数目，使得产生光子对的频域信道增加，实现对光子对联合光谱强度的调控。本发明利用更宽的脉冲泵浦光带宽实现光学频率信道数目的控制。
Description
技术领域
本发明属于量子光源领域，更具体地，涉及一种光子对联合光谱强度调控的系统及方法。
背景技术
量子光源即非经典光源，包括单光子源、纠缠光子源、压缩态光源等。集成化是量子光学发展的趋势所在，高度集成的量子光学系统有利于实现紧凑、稳定、可靠、鲁棒性好的量子通信、量子计算芯片，从而拓展光量子技术的应用。利用光学参量过程可以有效地产生单光子光、纠缠光子对。基于片上集成的微谐振腔结构制作的量子光源具有功率效率高、功耗低、工作稳定等优点而被广泛利用。参量过程产生的光子对在频率域上常常表现出非经典的关联，可以用双光子联合光谱强度来反应量子信道的个数（或称施密特数）的多少，从而反应光子对之间是否存在非经典的关联。基于传统单微谐振腔结构的光子对发射器因为受到谐振腔洛伦兹线型的限制，无法完全自由地调控施密特数的大小，这导致这一类量子光源在应用上受到限制。
基于传统单微环谐振腔自发四波混频（spontaneous four-wave mixing，SFWM）产生光子对的频域光谱关系如图1所示；其中，脉冲泵浦光谐振峰位于中间，虚线部分表示脉冲泵浦激光的频域波形包络；利用单微环谐振腔实现的光子源在光子对产生后，经过测量其联合光谱强度，会发现在频域分布上不完全满足单信道施密特模式的分布，这意味着系统产生的信号、闲频光子对存在光谱上的非经典关联。
进一步地，基于微谐振腔系统的量子光源在光子对的频率分布上，无法很好地控制频率信道的数目，因为微腔谐振峰的线型总是保持一致，分立地控制微腔谐振峰的宽度或是模式劈裂是具有挑战性的。在基于光波导实现的量子光源中，通常使用频率后选择方法，如利用窄线宽的滤波器来控制输出光子对的频率信道数目，但是这会大大降低量子光源的光子对产率和光谱亮度。在微谐振腔中，由于谐振腔线宽很小，这一方法也很难用于有效控制光子对的频率信道数目，因为所要求的滤波器线宽必须小于微腔谐振峰的线宽。
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光子对联合光谱强度调控的系统及方法，旨在解决现有的量子光源方法无法有效控制频率信道数目的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种光子对联合光谱强度调控的系统，包括：总线波导和一个微环谐振腔；
所述总线波导与所述一个微环谐振腔耦合；
所述一个微环谐振腔包括散射点；所述散射点用于向所述第一谐振峰引入额外损耗，使得所述第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰；
当脉冲泵浦光从所述总线波导的一侧输入时，脉冲泵浦光耦合进入所述一个微环谐振腔，在所述一个微环谐振腔的第一谐振峰处谐振，在自发四波混频作用下产生光子对，之后从总线波导的另一侧输出；所述光子对包括：信号光光子和闲频光光子；当所述脉冲泵浦光的带宽完全覆盖两个第二谐振峰的带宽时，能够拓宽所述自发四波混频作用过程中脉冲泵浦光的相位匹配范围，增加频率域中频率信道的数目，使得产生光子对的频域信道增加，实现对光子对联合光谱强度的调控。
可以理解的是，微环谐振腔包括多个谐振峰，而脉冲泵浦光在其中一个谐振峰处发生谐振，即在第一谐振峰处谐振。因此，第一谐振峰也可称为脉冲泵浦光谐振峰。
在一种可能的实现方式中，所述散射点是所述一个微环谐振腔上的轻微缺陷，能对第一谐振峰引入所述额外损耗。
在一种可能的实现方式中，所述散射点的功能利用半径小于所述一个微环谐振腔的另一个微环谐振腔和其进行耦合实现，所述另一个微环谐振腔的谐振频率与第一谐振峰处的谐振频率相同，从而对第一谐振峰引入额外损耗。
在一种可能的实现方式中，所述一个微环谐振腔与所述另一个微环谐振腔强耦合，使得所述第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰。
在一种可能的实现方式中，所述一个微环谐振腔与另一个微环谐振腔之间的耦合强度取决于两个微环谐振腔之间的距离。
在一种可能的实现方式中，所述总线波导与所述一个微环谐振腔处于临界耦合状态。
第二方面，本发明提供了一种光子对联合光谱强度调控的方法，包括以下步骤：
将总线波导与一个微环谐振腔耦合；所述一个微环谐振腔包括散射点；所述散射点用于向所述第一谐振峰引入额外损耗，使得所述第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰；
将脉冲泵浦光从所述总线波导的一侧输入，使脉冲泵浦光耦合进入所述一个微环谐振腔，在所述一个微环谐振腔的第一谐振峰处谐振，在自发四波混频作用下产生光子对，之后从总线波导的另一侧输出；所述光子对包括：信号光光子和闲频光光子；
控制所述脉冲泵浦光的带宽完全覆盖两个第二谐振峰的带宽时，拓宽所述自发四波混频作用过程中脉冲泵浦光的相位匹配范围，增加频率域中频率信道的数目，使得产生光子对的频域信道增加，实现对光子对联合光谱强度的调控。
在一种可能的实现方式中，所述散射点是所述一个微环谐振腔上的轻微缺陷，能对第一谐振峰引入所述额外损耗。
其中，所述轻微缺陷通过刻蚀形成。
在一种可能的实现方式中，所述散射点的功能利用半径小于所述一个微环谐振腔的另一个微环谐振腔和其进行耦合实现，所述另一个微环谐振腔的谐振频率与第一谐振峰处的谐振频率相同，从而对第一谐振峰引入额外损耗。
在一种可能的实现方式中，控制所述一个微环谐振腔与所述另一个微环谐振腔强耦合，使得所述第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰。
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：
本发明提供一种光子对联合光谱强度调控的系统及方法，输入的脉冲泵浦光受到模式劈裂的谐振峰的调制，产生的有效脉冲泵浦光带宽大于第一谐振峰，进而利用更宽的脉冲泵浦光带宽，满足四波混频相位匹配范围，进一步地当微环谐振腔的谐振峰完全劈裂为两个谐振峰时，产生模式劈裂的谐振峰用作脉冲泵浦光的信道，可以实现光学频率信道数目的控制，以进一步调控光子对的联合光谱强度，从而使量子光源更好地应用到实际。
本发明提供一种光子对联合光谱强度调控的系统及方法，本发明相比于使用滤波器进行频率后选择的方法具有更好的鲁棒性，不依赖于滤波器频率后选择对频率信道的调控，可以很好地平衡光源的亮度和光源光子对的纯度。进一步地，本发明采用的微环谐振腔的材料可以为三阶非线性材料，这类材料能产生有效非线性效应，能够有效用作量子光源。
附图说明
图1是现有技术提供的单微环脉冲泵浦自发四波混频原理的示意图；
图2是现有技术提供的单微环脉冲泵浦产生的联合光谱强度分布的示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的带有散射点的微环谐振腔与总线波导耦合的结构示意图；
图3(b)是本发明实施例提供的带有散射点的微环谐振腔与总线波导耦合的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的微环光谱分布以及基于模式劈裂谐振峰自发四波混频光子对产生的原理示意图；
图5是本发明实施例提供的调控后的谐振峰利用脉冲泵浦激发产生的联合光谱强度分布。
具体实施方式
为方便理解，下面先对本发明实施例所涉及的英文简写和有关技术术语进行解释和描述。
下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。
本发明提供一种光子对联合光谱强度调控的系统及方法，系统包括：微环谐振腔、总线波导以及谐振腔中的散射点；微环谐振腔与总线波导直接耦合；微环谐振腔用于脉冲泵浦光的谐振，在自发四波混频的作用下，信号光和闲频光波长处自发产生光子对；微环谐振腔中的散射点对脉冲泵浦光谐振峰引入额外损耗，使脉冲泵浦光谐振峰产生完全劈裂，由一个谐振峰变成两个谐振峰。脉冲泵浦光谐振峰的完全劈裂能有效拓展泵浦相位匹配范围，从而影响光子对的联合光谱强度，起到调控光子对光谱关联性的效果。
需要说明的是，本发明提供的光子对联合光谱强度调控系统所产生的的光子对具有很多用途，其用途之一就是可以作为量子光源。在本发明以下具体实施例中会提到量子光源，作为光子对联合光谱强度调控系统的一种应用为例进行举例说明。本领域技术人员可以理解的是，举例说明并不应当做对本发明保护范围的任何限定，本领域技术人员可以根据实际需要将光子对联合光谱强度调控系统应用到其他场景。
在一个示例中，散射点是所述一个微环谐振腔上的轻微缺陷，能对第一谐振峰引入所述额外损耗。
其中，缺陷的设计以其所引入的额外损耗能够让微环谐振腔的谐振峰产生完全劈裂为准。可以通过仿真和实验过程确定最终的参数。
在另一个示例中，散射点的功能利用半径小于所述一个微环谐振腔的另一个微环谐振腔和其进行耦合实现，所述另一个微环谐振腔的谐振频率与第一谐振峰处的谐振频率相同，从而对第一谐振峰引入额外损耗。
具体地，一个微环谐振腔与所述另一个微环谐振腔强耦合，使得所述第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰。
进一步地，所述一个微环谐振腔与另一个微环谐振腔之间的耦合强度取决于两个微环谐振腔之间的距离。
需要说明的是，总线波导与所述一个微环谐振腔处于临界耦合状态，以使得脉冲泵浦光完全耦合进入微环谐振腔。
在一个更为具体的实施例中，当散射点的功能利用半径小于所述一个微环谐振腔的另一个微环谐振腔和其进行耦合实现时，光子对联合光谱强度调控的系统，包括：总线波导、主微环谐振腔、辅助微环谐振腔；
总线波导用于输入脉冲泵浦光和输出光子对；主微环谐振腔用于自发四波混频，产生信号光和闲频光；辅助微环谐振腔用于对主微环谐振腔的谐振峰进行调控，影响主微环谐振腔内的光子频域态密度分布，从而起到调控光子对联合光谱强度的作用。
优选地，主微环谐振腔和辅助微环谐振腔的材料皆为三阶非线性材料。
优选地，主微环谐振腔和辅助微环谐振腔之间的耦合系数大于主微环谐振腔的损耗和辅助微环谐振腔的损耗的差值，是实现有效模式劈裂的条件；
其中，主微环谐振腔的谐振峰宽度等于主微环谐振腔的本征损耗和总线波导引入的耦合损耗之和；辅助微环谐振腔的谐振峰宽度等于辅助微环谐振腔本征损耗。
优选地，主微环谐振腔与总线波导处于临界耦合状态的获取方法为：通过调节主微环谐振腔与总线波导的距离，使得总线波导对主微环谐振腔引入的损耗等于主微环谐振腔的本征损耗。
另一方面，本发明基于上述提供的光子对联合光谱强度调控系统，提供了相应的基于脉冲光泵浦的调控方法，包括以下步骤：
将脉冲泵浦光输入至主微环谐振腔中进行谐振增强，提高主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，自发地在主微环谐振腔内产生信号光子和闲频光子；
信号光子和闲频光子通过总线波导输出；
其中，所述主微环谐振腔与总线波导处于临界耦合状态。
当所述散射点的功能通过辅助微环谐振腔实现时，所述主微环谐振腔与所述辅助微环谐振腔耦合波长处的谐振峰对应的模式发生有效劈裂；所述主微环谐振腔与辅助微环谐振腔之间的耦合强度大于两环损耗的差；
信号光和闲频光的波长关于脉冲泵浦光的波长对称；脉冲泵浦光的波长为宽带脉冲泵浦光所对应的波长，以能够覆盖完全劈裂的两个谐振峰的波长为准；信号光与闲频光的波长为主微环谐振腔的其他谐振峰对应的波长。
辅助谐振腔用于与主谐振腔耦合，从而对主谐振腔的脉冲泵浦光谐振峰引入额外损耗，使其产生模式劈裂，控制频率信道的数量，从而实现联合光谱强度的调控。
本发明先采用两个不同的微环谐振腔互相耦合，一个总线波导对主微环谐振腔进行耦合，用作脉冲泵浦光输入通道和光子对输出通道；利用微环谐振腔的谐振增强效应增强光子对的产生速率，并且通过辅助微环谐振腔对主微环谐振腔的调控，控制光子对联合光谱强度。
本发明提供的联合调控系统的参数设置具备如下特点：（1）主微环谐振腔与辅助微环谐振腔的尺寸不同，主微环谐振腔周长可以设置为辅助微环谐振腔周长的整数倍；与此同时两个微环谐振腔的损耗越低越好；（2）辅助微环谐振腔的谐振峰波长与主微环谐振腔的一个谐振峰对齐，以使主微环谐振腔的一个谐振峰发生有效的模式劈裂，从而起到调控光子信道数目的效果；（3）主微环谐振腔和辅助微环谐振腔之间的耦合系数需要大于两微环谐振腔损耗的差值，以使主微环谐振腔的谐振峰产生有效的模式劈裂；（4）总线波导与主微环谐振腔间处于临界耦合；处于临界耦合状态时，输入的脉冲泵浦光可以基本消光，以获得最大的脉冲泵浦光利用效率。
本发明提供的光子对联合光谱强度调控系统可以根据如下方法制备：
（1）确定主微环谐振腔的大小，例如可以将主微环谐振腔的半径设定为200um；
（2）确定辅助微环谐振腔的大小，例如可以将辅助微环谐振腔的半径设定为辅助微环谐振腔的五分之一，即40um；
（3）将两个谐振腔耦合，并使主微环谐振腔与总线波导耦合。
按照上述方法提供的量子光源系统，从总线波导的一端输入脉冲泵浦光，脉冲泵浦光的中心波长为劈裂的谐振峰的中心波长；脉冲泵浦光在主微环谐振腔内产生谐振，信号光子和闲频光子自发地在脉冲泵浦光谐振峰两边对称处产生；产生的信号光子和闲频光子再由总线波导的另一端输出；
根据自发四波混频的相位匹配条件，在上述脉冲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脉冲泵浦光波长对称；同时因为在上述脉冲泵浦光的设置方式，脉冲泵浦光的谐振峰因为两个微环谐振腔的耦合而产生模式劈裂，从而使脉冲泵浦光的谐振带宽被调控，有效的光子信道数目增多，从而使信号光子和闲频光子的联合光谱强度受到调控；
本发明提供的量子光源可以实现特殊的光子对联合光谱强度分布，而且设计起来非常方便。
为了更进一步说明本发明提供的量子光源系统的优势及特点，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，本发明提供的量子光源系统包含谐振腔和波导结构，由于微环谐振腔的谐振增强作用，比高非线性光纤的非线性效应增强大了很多倍，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。
（2）与波导结构相比，本发明提供的量子光源具有谐振腔结构，可以大幅提升功率效率；并且本发明提供的量子光源产生的光子对在频率上不需要后选择操作，可以更好地用作宣布式单光子源；
（3）本发明可以提供光子对联合光谱强度可调的手段，具有更好的鲁棒性，更适用于实际量子技术的应用场景。
如图1所示，为单微环谐振腔在脉冲光泵浦下的情况，图2展示了有效的脉冲泵浦光相位匹配范围，其中虚线是脉冲泵浦光在频域的包络。可见，在不包括散射点的单环下只能产生宽带的单泵浦信道。
如图3(a)所示，系统包括：微环谐振腔、总线波导以及谐振腔中的散射点；微环谐振腔与总线波导直接耦合；微环谐振腔用于脉冲泵浦光的谐振，在自发四波混频的作用下，信号光和闲频光波长处自发产生光子对；微环谐振腔中的散射点对脉冲泵浦光谐振峰引入额外损耗，使脉冲泵浦光谐振峰产生完全劈裂，由一个谐振峰变成两个谐振峰。如图3(b)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，当入射光波长满足时，输入光会在微环谐振器内发生谐振。其中，/>为谐振阶数；为材料的有效折射率；/>为微环谐振腔的长度；图3(b)中两微环谐振腔的周长分别为和/>；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，因此要求第一微环谐振腔的周长为第二微环谐振腔的整数倍，对准的谐振峰对应的波长可以同时在双环内达到谐振状态。
在图3(b)中，设总线与主微环谐振腔的耦合系数为，传输系数为/>，主微环谐振腔与辅助微环谐振腔之间的耦合系数为/>，传输系数为/>。主微环谐振腔的环程透过系数为/>，辅助谐振腔的环程透过系数为/>，微环谐振腔的环程透过系数决定了自身的损耗大小，其中，/>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/>与微环谐振腔的腔长和光场传输损耗系数/>有关。
在一个具体的的实施例中，图3(b)中各个部件采用的具体参数值由下表1给出；
表1
对图3(b)，一般可选用两材料相同，半径不同的微环谐振腔。如使用的材料，/>的两环。由于两个微环谐振腔的半径不同，自由光谱范围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；对图3(a)，当只有一个带有散射点的微环谐振腔与总线波动耦合时，微环谐振腔的一个谐振峰会完全劈裂成两个谐振峰。完全劈裂的两个谐振峰如图4中间的脉冲泵浦光谐振峰所示，旁边的两个谐振峰还维持未被影响之前的状态。
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4所示。利用简并自发四波混频，如图4一束的脉冲泵浦光自发地将能量传输给信号光和闲频光，信号光和闲频光的频率位于脉冲泵浦光的两侧并且关于脉冲泵浦光对称。脉冲泵浦光的谐振峰由于受到辅助谐振腔的调控而产生模式劈裂，分为两个，通过向总线波导注入脉冲泵浦，并且脉冲泵浦的频域宽度大于两个劈裂的谐振峰，就能将谐振峰完全覆盖，产生的联合光谱强度会出现额外的信道，从而达到光子对联合光谱强度的效果。
基于此，如图4所示，本发明提出利用微腔中的额外散射点在调控微腔谐振峰的分布从而控制微腔频率信道的数目，具有创新性、前瞻性，所用技术手段在实际应用上具有可行性。这一调控微腔谐振峰的方法还可以用于经典光通信中调控信道数目，可以扩展到集成光子学的其它应用领域中。
在量子光源中，通过脉冲光泵浦的自发四波混频过程中产生信号光与闲频光的光子对的频域双光子态定义为，其中，/>，/>分别为信号光子，闲频光子的频率；/>，/>分别为信号光子和闲频光子对应的产生算符；是双光子波函数，也就是，信号光子和闲频光子在频率域上出现的概率幅分布；/>是一个常数，保证量子态的概率归一化；/>表示真空态。/>即为联合光谱强度。由脉冲泵浦光带宽决定的联合光谱强度图由图2和图5（本发明实施例）所示。与图2相比，图5显示的联合光谱强度在信道数目上有所提升，脉冲泵浦光的有效相位匹配带宽被拓展，所示的量子信道数目有所增加。在这样的系统配置下，量子光源能够用于更多的应用中，例如，可用于高维度频率纠缠的光子产生、纯态宣布式单光子源等应用。
本发明实施例中通过在单个微环谐振腔上设置散射点，或者构建双谐振腔单波导耦合结构，实现了利用微环谐振腔用作量子光源，并通过调控主微环谐振腔的谐振峰，对光子对的联合光谱强度进行调控。
输入脉冲泵浦光在主微环谐振腔内产生谐振；信号光子和闲频光子自发地在关于泵浦谐振峰对称的位置产生光子对。此时，由于脉冲泵浦光的谐振峰劈裂为两个，激发的信道数目变多，从而达到控制光子对联合光谱强度的目的。
应当理解的是，可以在本发明中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本发明中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。
此外，在本发明中，表述“和/或”包括关联列出的词语中的任意和所有组合。例如，表述“A和/或B”可以包括A，可以包括B，或者可以包括A和B这二者。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。其中，“固定连接”是指彼此连接且连接后的相对位置关系不变。“转动连接”是指彼此连接且连接后能够相对转动。“滑动连接”是指彼此连接且连接后能够相对滑动。本发明实施例中所提到的方位用语，例如，“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本发明实施例，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
另外，在本发明实施例中，提到的数学概念，对称、相等、平行、垂直等。这些限定，均是针对当前工艺水平而言的，而不是数学意义上绝对严格的定义，允许存在少量偏差，近似于对称、近似于相等、近似于平行、近似于垂直等均可以。例如，A与B平行，是指A与B之间平行或者近似于平行，A与B之间的夹角在0度至10度之间均可。A与B垂直，是指A与B之间垂直或者近似于垂直，A与B之间的夹角在80度至100度之间均可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光子对联合光谱强度调控的系统，其特征在于，包括：总线波导和一个微环谐振腔；
所述总线波导与所述一个微环谐振腔耦合；
所述一个微环谐振腔包括散射点；所述散射点用于向微环谐振腔的第一谐振峰引入额外损耗，使得所述第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰；所述散射点的功能通过所述一个微环谐振腔上的轻微缺陷实现，或者利用半径小于所述一个微环谐振腔的另一个微环谐振腔实现；
当脉冲泵浦光从所述总线波导的一侧输入时，脉冲泵浦光耦合进入所述一个微环谐振腔，在所述一个微环谐振腔的第一谐振峰处谐振，在自发四波混频作用下产生光子对，之后从总线波导的另一侧输出；所述光子对包括：信号光光子和闲频光光子；当所述脉冲泵浦光的带宽完全覆盖两个第二谐振峰的带宽时，能够拓宽所述自发四波混频作用过程中脉冲泵浦光的相位匹配范围，增加频率域中频率信道的数目，使得产生光子对的频域信道增加，实现对光子对联合光谱强度的调控。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述散射点是所述一个微环谐振腔上的轻微缺陷，能对第一谐振峰引入所述额外损耗。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述散射点的功能利用半径小于所述一个微环谐振腔的另一个微环谐振腔和其进行耦合实现，所述另一个微环谐振腔的谐振频率与第一谐振峰处的谐振频率相同，从而对第一谐振峰引入额外损耗。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述一个微环谐振腔与所述另一个微环谐振腔强耦合，使得所述第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述一个微环谐振腔与另一个微环谐振腔之间的耦合强度取决于两个微环谐振腔之间的距离。
6.根据权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述总线波导与所述一个微环谐振腔处于临界耦合状态。
7.一种光子对联合光谱强度调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将总线波导与一个微环谐振腔耦合；所述一个微环谐振腔包括散射点；所述散射点用于向微环谐振腔的第一谐振峰引入额外损耗，使得所述第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰；所述散射点的功能通过所述一个微环谐振腔上的轻微缺陷实现，或者利用半径小于所述一个微环谐振腔的另一个微环谐振腔实现；
将脉冲泵浦光从所述总线波导的一侧输入，使脉冲泵浦光耦合进入所述一个微环谐振腔，在所述一个微环谐振腔的第一谐振峰处谐振，在自发四波混频作用下产生光子对，之后从总线波导的另一侧输出；所述光子对包括：信号光光子和闲频光光子；
控制所述脉冲泵浦光的带宽完全覆盖两个第二谐振峰的带宽时，拓宽所述自发四波混频作用过程中脉冲泵浦光的相位匹配范围，增加频率域中频率信道的数目，使得产生光子对的频域信道增加，实现对光子对联合光谱强度的调控。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述散射点是所述一个微环谐振腔上通过刻蚀形成的微小缺陷，能对第一谐振峰引入所述额外损耗。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述散射点的功能利用半径小于所述一个微环谐振腔的另一个微环谐振腔和其进行耦合实现，所述另一个微环谐振腔的谐振频率与第一谐振峰处的谐振频率相同，从而对第一谐振峰引入额外损耗。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述一个微环谐振腔与所述另一个微环谐振腔强耦合，使得所述第一谐振峰发生完全劈裂，得到两个第二谐振峰。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109193325A (zh) * | 2018-09-11 | 2019-01-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109193325A (zh) * | 2018-09-11 | 2019-01-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统 |
| CN110764191A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-02-07 | 灵芯光电(天津)有限公司 | 一种基于微环的矩形光滤波器及其设计方法 |
| CN113218547A (zh) * | 2020-02-06 | 2021-08-06 | 天津大学 | 一种用于双传感的高q穿孔柔性微环谐振腔的结构 |
| CN114280728A (zh) * | 2020-10-27 | 2022-04-05 | 华中科技大学 | 一种基于双微环谐振腔耦合的色散调控装置 |
| CN112748621A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-05-04 | 上海交通大学 | 多对双组份量子纠缠态的微环谐振腔及制备方法 |
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Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Cale M. Gentry.Tunable coupled-mode dispersion compensation and its application to on-chip resonant four-wave mixing.OPTICS LETTERS.2014,第39卷(第19期),5689-5692. * |
| Tunable coupled-mode dispersion compensation and its application to on-chip resonant four-wave mixing;Cale M. Gentry;OPTICS LETTERS;20140929;第39卷(第19期);5689-5692 * |
| 基于回音壁模式光学微腔的光学灵敏传感研究;庞廷田;中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑;20220115(第1期);A005-114 * |
| 有损串联双微环谐振器谱线与延迟特性的解析研究;张小贝;丁运鸿;张新亮;黄德修;;中国激光;20100110(第01期);全文 * |
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