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Acta Sinica Quantum Optica

用于压缩态产生的低损耗氮化硅微环谐振腔制备及测试

白捷仁 Jieren BAI, 周笑艳 Xiaoyan ZHOU, Xueshi Guo, 李小英 Xiaoying LI, 张林 Lin ZHANG

Published Jan 1, 2025• 0 citations
Publisher

Abstract

集成光子芯片为压缩态光场的产生提供了一个可靠和易于扩展的平台。基于低损耗氮化硅微环谐振腔的四波混频过程是产生压缩态光场的重要途径。本文基于氮化硅材料平台，优化了高质量氮化硅薄膜的制备工艺和微环谐振腔的加工过程，制备出多种尺寸和结构的低损耗氮化硅微环谐振腔。通过搭建的测试系统，系统分析了这些微环谐振腔的透射率、耦合状态和品质因子。实验结果表明，所制备的微环谐振腔具有稳定的本征品质因子，其中横截面尺寸为2000 nm′290 nm微环谐振腔的本征品质因子可达1.5′106，对应的波导传输损耗约为0.23 dB/cm。理论计算表明，该结构最优能够产生片上约9 dB的压缩态光场，当考虑总检测效率为40%时，预估可以直接观察到2 dB的压缩态。该研究为片上产生高质量的连续变量压缩态提供了实验基础。

DOI
10.3788/jqo20253101.0202

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硅基光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔的传输特性

Tuohang LI, Xiaoyan ZHOU, Lin Zhang

本文针对一种由微环谐振腔与法布里-珀罗腔耦合构成的集成结构，开展了传输光谱特性的理论与实验研究。该结构通过在单边耦合型微环的直波导中引入光栅反射镜形成法布里-珀罗腔，在双谐振结构中实现了新颖的多腔耦合传输谱形。成功建立系统理论模型后，分析了多腔耦合传输谱形出现的条件并进行了器件参数优化。在硅基芯片上成功制备了光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔器件，首次观测到与理论预测一致的多腔耦合传输谱形，包括嵌套类电磁感应透明和双法诺共振线形。实验结果表明，在3.43 dB/cm的波导损耗条件下，电磁感应透明的中心峰可实现1.40×104的品质因子,双法诺共振的斜率最高可达到37.70 dB/nm。研究结果为集成光子耦合谐振系统的机理理解提供了新视角，并为实现高集成度、高性能的光子器件平台提供了可行技术路径，在高灵敏光学传感、窄带滤波及高速调制等领域具有重要的应用潜力。

Chinese Optics•Jan 1, 2026•0 citations

用于冷原子实验的一维折射型光束扫描系统

冯涛 Feng Tao, 杨鹏飞 Yang Pengfei, 范青 Fan Qing +4 more

利用可旋转楔形棱镜（振镜）的光折射效应，实现一维受控的高精度光束扫描系统，并将其用于产生移动的光学偶极阱系统，能够使冷原子在空间内实现大范围绝热转移。光学偶极阱由一束准直的大功率1064 nm激光通过透镜强聚焦形成，其束腰半径为（21.9±0.4） μm。通过设计振镜与透镜之间的距离以及控制振镜的偏转角度，能够使偶极阱束腰在一维方向上实现高精度可控移动，通过设计偶极阱束腰位置移动的加速度形式，能够使偶极阱在22.5 ms内绝热移动7 mm。在平移过程中，光学偶极阱功率起伏为±3.45%，束腰位置在垂直于移动方向上的起伏为共焦参数的±1.7%。利用该系统，可以在30 ms内将原子转移5 mm，原子转移效率大于90.0%，温度变化小于5 μK；当转移时间为45 ms时，原子转移效率达（99.6±4.6）%。通过改善电机响应，最快可在10 ms 内将原子绝热地转移1 mm，原子转移效率为（94.3±3.6）%。该光束扫描系统具有通光孔径大（高斯直径>10 mm）、光损耗极小、噪声低和在移动过程中光频率不变化等优势，能够广泛应用于冷原子及单原子阵列实验中的原子转移和寻址。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2024•1 citation

波数失配调控的双通道电磁诱导透明与吸收切换

Chenjie WANG, 西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048, Ziyi WU +3 more

提出了一种在室温多普勒展宽铷原子系统中实现双通道电磁诱导透明与电磁诱导吸收高效切换的方案。基于Y型四能级结构，采用缀饰微扰链方法，推导了探测场传输谱对波数失配、探测场强度及耦合场失谐的解析表达式。研究结果表明，通过将一子系统的探测场与耦合场波长设为相近（如780 nm与776 nm），可有效抑制多普勒展宽；另一子系统采用短波长耦合场（如480 nm）并匹配低衰减率激发态（如44D5/2），可获得高分辨率的双电磁诱导透明窗口。研究还发现，增强探测场可实现电磁诱导透明向电磁诱导吸收的转换，但强场引发的饱和与功率展宽效应会淹没双通道结构；通过增大耦合场失谐可有效抑制该效应，实现双通道电磁诱导吸收的高效、独立切换。本研究为在非均匀展宽介质中实现多通道量子光调控提供了理论依据，对多通道量子存储、光开关及频分复用光调制器等器件的设计具有指导意义。

Journal of Applied Optics•Jan 1, 2025•0 citations

Reciprocating Optical Modulation on Erbium-Doped LiNbO$_{3}$ for Harmonic Generation

So Kogahara, Satoshi Shinada, Shinya Nakajima +3 more

We demonstrated reciprocating optical modulation using erbium-doped LiNbO3crystal for high-order sideband generation and selective amplification. A Ti-diffused waveguide, formed on the crystal, had a gain of 2.1 dB/cm for 1531.4-nm signal light pumped at 1480 nm with a pump power of 200 mW/port. A sideband component of 40 GHz was successfully enhanced and a gain of 12 dB was realized.

IEEE Photonics Technology Letters•Sep 17, 2007•2 citations

基于频率转移的红外辐亮度绝对测量技术研究

刘宇豪 LIU Yuhao, 夏茂鹏 Xia Maopeng, 郑小兵 Zheng Xiaobing +1 more

基于频率转移技术提出了一种新型红外绝对辐亮度测量方法，实现了红外光源在3 390 nm的绝对辐亮度测量，将光量子“无溯源”定标技术拓展至中波红外。首先，用775 nm连续激光泵浦非周期性极化铌酸锂下转换产生1 005 nm/3 390 nm非简并相关光子对，再利用上转移技术将3 390 nm转换至810 nm，采用参量下转换时间符合法绝对定标上转换单光子探测器在3 390 nm绝对通道量子效率，结合光路的孔径与视场，实现绝对功率响应度至绝对辐亮度定标转换。介绍了基于相关光子时间特性的探测效率定标方法和频率转移的实验装置，分析了死时间、后脉冲、意外符合、非公共部分光路差异性等问题。然后，用定标光路测量了黑体辐射源在125 ℃~200 ℃共4个温度点下3 390 nm的辐亮度，将测量结果与普朗克公式计算辐亮度结果进行对比验证，得到的最大差异为4.3%。研究结果表明，利用下转换和上转换相结合能将相关光子定标技术拓展至中波红外，对实现3 000 nm后的中波红外绝对辐射测量有潜在的应用价值。

ACTA PHOTONICA SINICA•Jan 1, 2025•0 citations

Packaged foundry-fabricated silicon spiral photon pair source

Joseph A. Monteleone, Matthew van Niekerk, Mario Ciminelli +4 more

We have demonstrated a packaged Silicon photon pair source. The spiral silicon waveguide source is 500 nm x 220 nm x 2 cm long and was packaged with input/output optical fibers enabling turn-key generation of photon pairs by connecting the input optical fiber to a telecommunication grade laser. In this work, we experimentally characterized the generation of bi-photons by spontaneous four-wave mixing in the Silicon waveguide. The insertion loss of the chip, after packaging, was measured to be approximately 15 dB (3 dB/facet, waveguide propagation loss of less than 1.5 dB/cm, 6 dB from splitters sequence). We investigated the phase matching of the source by wavelength tuning the 1 nm bandpass filters and found that the generated bi-photons have a half-bandwidth of 10 nm about the pump wavelength. We investigate pulse pumping using an actively mode-locked fiber laser with a 500 MHz repetition rate, pulse duration of approximately 30 ps and peak pulse power of 400 mW. Excitation of the pulsed source with a power of 1.4 mW through the chip generated 300 kHz coincidence rates after passing the chip’s output through a series of spectral bandpass filters (-1.4 db in channel 1 and -2.4 dB in channel 2 of filter loss and approximately 85 % efficiency of the detectors: inferred on-chip pair generation rate of 58 MHz). We also investigate two sources with 6 mW of continuous-wave pump power to generate 1550 nm bi-photons, generating 6.0 kHz coincidence rates (inferred on-chip pair generation rate of 2.3 MHz).

Quantum Nanophotonic Materials, Devices, and Systems•Oct 3, 2022•4 citations
集成光子芯片为压缩态光场的产生提供了一个可靠和易于扩展的平台。基于低损耗氮化硅微环谐振腔的四波混频过程是产生压缩态光场的重要途径。本文基于氮化硅材料平台，优化了高质量氮化硅薄膜的制备工艺和微环谐振腔的加工过程，制备出多种尺寸和结构的低损耗氮化硅微环谐振腔。通过搭建的测试系统，系统分析了这些微环谐振腔的透射率、耦合状态和品质因子。实验结果表明，所制备的微环谐振腔具有稳定的本征品质因子，其中横截面尺寸为2000 nm′290 nm微环谐振腔的本征品质因子可达1.5′106，对应的波导传输损耗约为0.23 dB/cm。理论计算表明，该结构最优能够产生片上约9 dB的压缩态光场，当考虑总检测效率为40%时，预估可以直接观察到2 dB的压缩态。该研究为片上产生高质量的连续变量压缩态提供了实验基础。
本文针对一种由微环谐振腔与法布里-珀罗腔耦合构成的集成结构，开展了传输光谱特性的理论与实验研究。该结构通过在单边耦合型微环的直波导中引入光栅反射镜形成法布里-珀罗腔，在双谐振结构中实现了新颖的多腔耦合传输谱形。成功建立系统理论模型后，分析了多腔耦合传输谱形出现的条件并进行了器件参数优化。在硅基芯片上成功制备了光栅型法布里珀罗-微环耦合谐振腔器件，首次观测到与理论预测一致的多腔耦合传输谱形，包括嵌套类电磁感应透明和双法诺共振线形。实验结果表明，在3.43 dB/cm的波导损耗条件下，电磁感应透明的中心峰可实现1.40×104的品质因子,双法诺共振的斜率最高可达到37.70 dB/nm。研究结果为集成光子耦合谐振系统的机理理解提供了新视角，并为实现高集成度、高性能的光子器件平台提供了可行技术路径，在高灵敏光学传感、窄带滤波及高速调制等领域具有重要的应用潜力。
利用可旋转楔形棱镜（振镜）的光折射效应，实现一维受控的高精度光束扫描系统，并将其用于产生移动的光学偶极阱系统，能够使冷原子在空间内实现大范围绝热转移。光学偶极阱由一束准直的大功率1064 nm激光通过透镜强聚焦形成，其束腰半径为（21.9±0.4） μm。通过设计振镜与透镜之间的距离以及控制振镜的偏转角度，能够使偶极阱束腰在一维方向上实现高精度可控移动，通过设计偶极阱束腰位置移动的加速度形式，能够使偶极阱在22.5 ms内绝热移动7 mm。在平移过程中，光学偶极阱功率起伏为±3.45%，束腰位置在垂直于移动方向上的起伏为共焦参数的±1.7%。利用该系统，可以在30 ms内将原子转移5 mm，原子转移效率大于90.0%，温度变化小于5 μK；当转移时间为45 ms时，原子转移效率达（99.6±4.6）%。通过改善电机响应，最快可在10 ms 内将原子绝热地转移1 mm，原子转移效率为（94.3±3.6）%。该光束扫描系统具有通光孔径大（高斯直径>10 mm）、光损耗极小、噪声低和在移动过程中光频率不变化等优势，能够广泛应用于冷原子及单原子阵列实验中的原子转移和寻址。
提出了一种在室温多普勒展宽铷原子系统中实现双通道电磁诱导透明与电磁诱导吸收高效切换的方案。基于Y型四能级结构，采用缀饰微扰链方法，推导了探测场传输谱对波数失配、探测场强度及耦合场失谐的解析表达式。研究结果表明，通过将一子系统的探测场与耦合场波长设为相近（如780 nm与776 nm），可有效抑制多普勒展宽；另一子系统采用短波长耦合场（如480 nm）并匹配低衰减率激发态（如44D5/2），可获得高分辨率的双电磁诱导透明窗口。研究还发现，增强探测场可实现电磁诱导透明向电磁诱导吸收的转换，但强场引发的饱和与功率展宽效应会淹没双通道结构；通过增大耦合场失谐可有效抑制该效应，实现双通道电磁诱导吸收的高效、独立切换。本研究为在非均匀展宽介质中实现多通道量子光调控提供了理论依据，对多通道量子存储、光开关及频分复用光调制器等器件的设计具有指导意义。
Reciprocating Optical Modulation on Erbium-Doped LiNbO3_{3}3​ for Harmonic Generation
基于频率转移技术提出了一种新型红外绝对辐亮度测量方法，实现了红外光源在3 390 nm的绝对辐亮度测量，将光量子“无溯源”定标技术拓展至中波红外。首先，用775 nm连续激光泵浦非周期性极化铌酸锂下转换产生1 005 nm/3 390 nm非简并相关光子对，再利用上转移技术将3 390 nm转换至810 nm，采用参量下转换时间符合法绝对定标上转换单光子探测器在3 390 nm绝对通道量子效率，结合光路的孔径与视场，实现绝对功率响应度至绝对辐亮度定标转换。介绍了基于相关光子时间特性的探测效率定标方法和频率转移的实验装置，分析了死时间、后脉冲、意外符合、非公共部分光路差异性等问题。然后，用定标光路测量了黑体辐射源在125 ℃~200 ℃共4个温度点下3 390 nm的辐亮度，将测量结果与普朗克公式计算辐亮度结果进行对比验证，得到的最大差异为4.3%。研究结果表明，利用下转换和上转换相结合能将相关光子定标技术拓展至中波红外，对实现3 000 nm后的中波红外绝对辐射测量有潜在的应用价值。
We have demonstrated a packaged Silicon photon pair source. The spiral silicon waveguide source is 500 nm x 220 nm x 2 cm long and was packaged with input/output optical fibers enabling turn-key generation of photon pairs by connecting the input optical fiber to a telecommunication grade laser. In this work, we experimentally characterized the generation of bi-photons by spontaneous four-wave mixing in the Silicon waveguide. The insertion loss of the chip, after packaging, was measured to be approximately 15 dB (3 dB/facet, waveguide propagation loss of less than 1.5 dB/cm, 6 dB from splitters sequence). We investigated the phase matching of the source by wavelength tuning the 1 nm bandpass filters and found that the generated bi-photons have a half-bandwidth of 10 nm about the pump wavelength. We investigate pulse pumping using an actively mode-locked fiber laser with a 500 MHz repetition rate, pulse duration of approximately 30 ps and peak pulse power of 400 mW. Excitation of the pulsed source with a power of 1.4 mW through the chip generated 300 kHz coincidence rates after passing the chip’s output through a series of spectral bandpass filters (-1.4 db in channel 1 and -2.4 dB in channel 2 of filter loss and approximately 85 % efficiency of the detectors: inferred on-chip pair generation rate of 58 MHz). We also investigate two sources with 6 mW of continuous-wave pump power to generate 1550 nm bi-photons, generating 6.0 kHz coincidence rates (inferred on-chip pair generation rate of 2.3 MHz).