基于铌酸锂微盘腔的窄带宽可调谐宣布式单光子源

Single photon sources with controllable narrow spectral bandwidths and central frequencies are essential in various experiments for fundamental studies and practical applications in quantum communication, quantum information storage and processing. Whispering-gallery-mode micro-resonators made of lithium niobate, with excellent electro-optic and nonlinear optical effects and thus allowing for active control on resonance wavelength, provide a wonderful platform for studies in nonlinear optics and quantum optics. In this project, we plan to improve the quality factors of micron-size lithium niobate microdisk resonators on a chip to 1e7 by optimizing the microfabrication techniques. Heralded single photon sources with tunable narrow spectral bandwidths and central frequencies, working at room temperature and compatible with the current optical communication system will be studied based on the resonance-enhanced spontaneous parametric down conversion process in on-chip tapered-fiber-coupled lithium niobate microdisk resonators.

窄带宽、可调谐的单光子源在量子力学基础研究以及量子通讯、量子信息存储和处理等领域有重要的应用。铌酸锂晶体具有优秀的电光和非线性光学特性，铌酸锂晶体回音廊模式光学微腔具有良好的主动调控特性，是优秀的非线性光学和量子光学研究平台。在本项目中，我们拟通过优化铌酸锂微盘腔的加工工艺，进一步提高铌酸锂微盘腔的品质因子到1e7量级；基于光纤耦合的微米尺寸的高品质因子铌酸锂晶体微盘腔中共振增强的自发参量下转换效应，实现可以在室温工作的、与现行光通信系统兼容的、微米尺度的、窄带宽、可调谐宣布式单光子源。

窄带宽、可调谐的单光子源在量子力学基础研究以及量子通讯、量子信息存储和处理等领域有重要的应用。铌酸锂晶体微腔具有优秀的电光和非线性光学特性，是开展可调谐纠缠光子源和宣布式单光子源的良好平台。本项目开展了高品质因子微腔制备、集成、电调控、非线性光学效应和量子光源产生研究。利用紫外（电子束）光刻、反应离子刻蚀、化学机械抛光等加工工艺开展了铌酸锂微腔的制备研究，实现了品质因子1e7（1e6）量级的铌酸锂微盘（微环）腔的制备以及微环腔与波导、电极的集成。结合探针极化工艺开展了周期极化铌酸锂微腔的制备研究，实现了品质因子1e5量级的单、双周期极化铌酸锂微盘腔的制备。在x切铌酸锂微盘中，实现了创纪录的高效率倍频（9.9 % /mW）和三次谐波的产生；在单周期极化铌酸锂微盘腔中实现了d_{33}辅助的二次谐波产生；利用双周期极化铌酸锂微盘腔中丰富的空间波矢，同时实现了二次谐波、三次谐波和四次谐波产生；利用铌酸锂变形腔中混沌模式辅助实现了倍频信号耦合的增强；通过集成电极实现了铌酸锂微环腔共振波长的动态调谐；开展了铌酸锂微腔中基于参量下转换效应的纠缠光子对（宣布式单光子源）产生的探索。本项目的研究为高效、窄线宽、可调谐、室温量子光源的实现打下了坚实的基础。课题负责人作为通讯作者在Phys. Rev. Lett.、Photon. Res.、Opt. Lett.等期刊杂志发表论文21篇，合作发表论文7篇。负责人作为第一报告人，应邀在光电子领域权威性国际会议（如SPIE Photonics West、META、PIERS、AOM等）作邀请报告12次。举办光学微腔相关的学术研讨会3次。培养博士生3名，硕士生2名。