[发明专利]一种花形空气洞超构材料及其纠缠光子对产生系统

说明书

本发明提出的一种花形空气洞超构材料及其纠缠光子对产生系统，属于量子信息领域。花形空气洞超构材料包括由多个带有花形空气洞的介质单元构成的光波导，其横截面仅为单周期结构，以及位于光波导两侧的光子带隙结构，可实现超低损耗的零折射率性能；光波导可采用直线型或弯曲型光波导。纠缠光子对产生系统包括花形空气洞超构材料、两个窄带连续可调谐激光器、两个偏振控制器、分束器、光放大器、陷波滤波器、带通滤波器、阵列波导光栅、单光子探测器和时间间隔分析仪。本发明从物理上实现了超低损耗的零折射率超构材料及其量子光源，具有高转换效率带宽大、集成度高和稳定性强的特性。

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及一种超低损耗零折射率的花形超构材料及其纠缠光子对产生系统。

背景技术

量子信息科学是量子力学与信息科学相结合的产物，利用量子力学系统可实现新形式的通信、计算和测量。两个光子相互纠缠形成的纠缠光子对具有如下物理特性：当两个光子互相纠缠，无论这两个光子相距多远，通过对其中一个光子的测量都可以在瞬时得到另一个光子的状态。为了大规模的实现量子信息系统，亟需可靠、合算的纠缠光子源。进一步地，集成纠缠光子源可将光量子态的产生小型化并集成到芯片上，因此得到了长足的发展。

为了实现大规模的光学量子信息系统，亟需可靠、低成本的光学量子器件，特别是纠缠光子对产生系统。在集成量子光学中，产生纠缠光子的物理过程包括非线性材料中的参量过程(比如自发四波混频)和具有光学活性的量子点中的双激子-激子级联。与量子点相比，非线性材料具有以下优点：纠缠度高、发射波长灵活、能在室温下工作，因此取得了更为广泛的应用。在众多集成量子光学材料平台中，绝缘硅因为其CMOS兼容性、高折射率差、高三阶非线性、低自发拉曼散射噪声，被广泛应用于制备片上纠缠光子对产生系统。

基于绝缘硅实现纠缠光子对产生系统的常规结构包括微纳波导和微环腔。微纳波导通过设计其横截面尺寸在一定带宽内实现单模和近零群速度色散GVD，分别保证低传输损耗和自发四波混频的相位匹配，从而在该带宽内通过自发四波混频产生纠缠光子对。微环腔通过设计其横截面尺寸和周长，在一定带宽内实现单模，并在该带宽内一系列以自由光谱范围FSR为间隔的离散频率满足自发四波混频的相位匹配，从而在这些离散频率通过自发四波混频产生纠缠光子对。然而，由于微纳波导和微环腔的工作机理，它们都存在高转换效率带宽、集成度、稳定性方面的不足，参见表1：

(1)高转换效率带宽有限。为了实现高转换效率，必须实现低损耗和相位匹配。微纳波导通过设计其横截面尺寸，实现单模(低损耗)和近零群速度色散GVD(相位匹配)，从而通过延长满足相位匹配的光物相互作用长度提高转换效率。微纳波导较低的波阻抗Z＝1/n_mode(n_mode为微纳波导的模式折射率，微纳波导的磁导率μ＝1)限制了其非线性折射率n₂＝3·Z·Re(χ⁽³⁾)/8(Re(χ⁽³⁾)表示微纳波导三阶非线性系数的实部)和相应的转换效率。微环腔通过设计其横截面尺寸和周长，在泵浦频率附近的一系列以自由光谱范围FSR为间隔的频率处实现相位匹配(高转换效率)，从而直接限制了高转换效率带宽的连续性。

(2)集成度低。为了减小微纳波导和微环腔的弯曲损耗，必须确保其弯曲半径大于特定值(对于工作波长1500nm、90°弯曲的单模绝缘硅条形波导，弯曲半径大于5μm，弯曲损耗低于0.005dB)，从而限制了微纳波导的灵活性。此外，因为微环腔的自由光谱范围FSR与其周长成反比，微环腔的最小尺寸还受限于其可接受的最大FSR。

(3)稳定性低。因为微环腔的高Q值谐振对环境温度变化非常敏感，所以需要反馈式温控来保持其工作在谐振状态。