在芯片上高效生成光子对的新方法

铌酸锂薄膜是一种新兴的非线性集成光子学平台，非常适合量子应用。通过自发参量下变频（SPDC），它可以产生相关的光子对，用于量子密钥分发、远距离传输和计算。

要使 SPDC 有效，相位匹配至关重要。传统的方法是通过准相位匹配使用周期性极化铌酸锂（PPLN）来实现，这是 20 世纪 80 年代开发的一种技术。尽管 PPLN 被广泛采用，但其最终的非线性效率在完美相位匹配的情况下仅限于小于 50%，而且在纳米光子波导中的制造要求也越来越高。

新开发的 LPLN 通过电极化对整个薄膜进行层域反转，克服了这些挑战。与传统的 PPLN 相比，它能实现更高的非线性效率，并简化了制造工艺。这项研究发表在《光： 科学与应用》上发表。

用于高效光子对生成的层极铌酸锂 （LPLN） 纳米光子波导。

新加坡国立大学助理教授Di Zhu说：“这是一个意外的发现。部分畴反转原本是一种制造上的缺陷，但事实证明，它出人意料地有助于高效非线性波长转换和光子对生成，而且非常可靠”。

研究团队在单个LPLN波导中采用了级联二次谐波发生（SHG）和SPDC工艺来产生宽带电信光子对。这种简化的设置只需要标准的电信元件，使该技术更容易获得，也更容易在实际应用中实现。

论文第一作者Xiaodong Shi说：“我们成功地在LPLN 波导中演示了高效 SHG 和光子对生成。理论上，SHG 效率可以达到传统 PPLN 波导的两倍。其出色的非线性性能，加上对几何和温度变化的更强适应性，使其成为量子集成光子学的一个有前途的候选器件。”

下一步，该团队的目标是进一步优化这些器件的性能和可扩展性，并将其用于量子通信和网络应用。

相关链接：https://phys.org/news/2024-10-method-generate-photon-pairs-efficiently.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-024-01645-5