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Acta Sinica Quantum Optica

基于PPLN波导的弱光频率转换与噪声分析

Kong Zhang, 李志秀 Zhixiu LI

Published Jan 1, 2025• 0 citations
Publisher

Abstract

本文基于周期极化铌酸锂波导进行了852 nm与通信波段的弱光频率转换，分析了不同转换方案中的噪声问题，并通过改变输出光子的偏振状态，使得信噪比大幅提高，还分析了滤波器带宽与信噪比的关系，实验结果表明，在使用带宽为0.3 nm的光纤布拉格光栅和带宽为12 nm的带通滤波器后，信噪比达到91.3。接着我们对转换前后的光子波包进行了表征，从而证明量子频率转换并不会改变信号光波形，最终将优化后的磁光阱系统与频率转换装置连接，以期实现量子频率转换，为后续混合量子网络的建立提供重要基础。

DOI
10.3788/jqo20253101.0701

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白捷仁 Jieren BAI, 周笑艳 Xiaoyan ZHOU, Xueshi Guo +2 more

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。

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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

腔增强铯原子系综四波混频过程（特邀）

杨静琨 Yang Jingkun, 武晓蔚 Wu Xiaowei, 马荣 Ma Rong +2 more

基于铯原子系综四波混频过程制备的强度差压缩态光场具有波长与铯原子跃迁线匹配和空间多模的优势，在量子信息领域具有重要应用。然而，通过铯原子四波混频过程制备高压缩度的压缩态光场通常需要较高的泵浦光功率和原子池温度，这限制了其应用。本研究结合六镜环形光学谐振腔和铯原子系综，使泵浦光在光学谐振腔内实现单共振，同时让探针光和共轭光单次穿过光学谐振腔，有效提高了泵浦光的利用率，进而实现了腔增强的铯原子四波混频过程，从而显著降低了其对泵浦光功率和原子池温度的要求。实验结果表明，当获得的强度差压缩度为-6 dB时，相比于无腔四波混频过程，腔增强四波混频过程所需的泵浦光功率由600 mW降低至340 mW，并且原子池温度由109 ℃降低至98 ℃。研究结果为发展低功耗、空间多模量子光源提供了新方案，对于促进原子系综四波混频过程的应用具有重要意义。

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

高性能超导相变边缘单光子探测器（特邀）

李佩展 LI Peizhan, Jiaqiang Zhong, 张文 ZHANG Wen +7 more

研究了钛膜的特性及调控机制，通过烘烤后处理工艺分析了临界温度随烘烤时间和烘烤温度的变化关系，发现临界温度随烘烤时间对数降低，但是随烘烤温度指数降低。拓展了二流体模型提取了超导相变边缘单光子探测器的温度灵敏度系数和电流灵敏度系数，并结合脉冲响应得到了器件的热容，进一步理论计算了能量分辨率对器件临界温度的依存性。最终，在器件制备过程中集成光学腔体，在1 550 nm波长的光子吸收效率接近100%。研制的超导相变边缘单光子探测器系统探测效率超过90%，能量分辨率约为0.5 eV，可分辨至少10个1 550 nm光子，满足快速时变天体的观测需求。

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用于冷原子实验的一维折射型光束扫描系统

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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。

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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。
基于铯原子系综四波混频过程制备的强度差压缩态光场具有波长与铯原子跃迁线匹配和空间多模的优势，在量子信息领域具有重要应用。然而，通过铯原子四波混频过程制备高压缩度的压缩态光场通常需要较高的泵浦光功率和原子池温度，这限制了其应用。本研究结合六镜环形光学谐振腔和铯原子系综，使泵浦光在光学谐振腔内实现单共振，同时让探针光和共轭光单次穿过光学谐振腔，有效提高了泵浦光的利用率，进而实现了腔增强的铯原子四波混频过程，从而显著降低了其对泵浦光功率和原子池温度的要求。实验结果表明，当获得的强度差压缩度为-6 dB时，相比于无腔四波混频过程，腔增强四波混频过程所需的泵浦光功率由600 mW降低至340 mW，并且原子池温度由109 ℃降低至98 ℃。研究结果为发展低功耗、空间多模量子光源提供了新方案，对于促进原子系综四波混频过程的应用具有重要意义。
无交互量子成像是一种基于Zou-Wang-Mandel量子干涉效应的新型量子成像技术。本文利用路径纠缠的波长非简并光子对，实现了探针光子与成像光子的解耦，显著提升了主动照明成像系统对背景噪声光子的抑制能力。实验结果表明：该系统可在远强于探针光子强度的同波长背景噪声环境中工作，成像帧率超过30帧/s，且无需引入符合计数或“点云重建”等后处理技术。该技术有望将实验室中的量子成像推向实际应用，为对背景噪声光子抑制要求严苛的场景提供关键支撑。
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