级联谐振器光子对源的制作方法

级联谐振器光子对源
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年11月27日提交的第62/941,407号美国临时专利申请和2020年6月22日提交的第63/042,438号美国临时专利申请的优先权，上述申请的公开内容为了所有目的以引用的方式全文并入本文。


背景技术：

3.光子对源可用于各种技术。例如，光子量子技术受益于具有改进的亮度、光谱纯度、再现性和可制造性的光子对源。


技术实现要素：

4.在一些实施例中，一种光子源包括：总线波导；泵浦激光器，其耦合到总线波导；以及多个光学谐振器，其耦合到总线波导。多个光学谐振器中的每个光学谐振器可以具有相应的谐振线宽和相应的谐振频率。在一些实施例中，多个光学谐振器的谐振中心频率的频率跨度大于光子源泵浦激光器的带宽。
5.在一些实施例中，光子源还包括耦合到总线波导的多个色散元件，其中,多个色散元件中的一个色散元件定位在多个光学谐振器中的各个相邻光学谐振器对之间。
6.在一些实施例中，相邻光学谐振器之间的谐振中心频率的变化小于多个光学谐振器中的每一者的谐振线宽。
7.在一些实施例中，多个光学谐振器的数量是两个。在其它实施例中，多个光学谐振器的数量大于十个。
8.在一些实施例中，多个光学谐振器是第一多个第一光学谐振器，并且每个第一光学谐振器耦合到第二多个光学谐振器中的相应第二光学谐振器。
9.在一些实施例中，第二多个光学谐振器耦合到发射光子的第二波导。
10.在一些实施例中，总线波导是光学谐振器。
11.在一些实施例中，一种光子源包括：总线波导，其具有输入区域和输出区域；以及多个光学谐振器，其在输入区域与输出区域之间串联耦合到总线波导。输出区域可以被配置为响应于输入区域接收激光脉冲而传输在多个光学谐振器内生成的光子对。在一些实施例中，多个光学谐振器中的每个光学谐振器具有相应的谐振线宽和相应的谐振频率。
12.在一些实施例中，多个光学谐振器的谐振中心频率的频率跨度大于在输入区域处接收的激光脉冲的带宽。
13.在一些实施例中，还包括耦合到总线波导的多个色散元件，并且多个色散元件中的色散元件定位在多个光学谐振器中的每个光学谐振器之间。
14.在一些实施例中，相邻光学谐振器之间的谐振中心频率的变化小于多个光学谐振器中的每一者的谐振线宽。
15.在一些实施例中，多个谐振光学谐振器的数量大于10个。
16.在一些实施例中，多个光学谐振器是第一多个第一光学谐振器，并且每个第一光
学谐振器耦合到第二多个光学谐振器中的相应第二光学谐振器。
17.在一些实施例中，总线波导是使激光脉冲再循环的光学谐振器总线波导。在一些实施例中，光子源还包括多个光学谐振器总线波导，每个光学谐振器总线波导光学耦合到相应的多个谐振光学谐振器。
18.在一些实施例中，对于多个谐振器中的谐振器，第二谐振器被定位为与第一谐振器直接相邻，并且第三谐振器被定位为与第二谐振器直接相邻。第一谐振器的谐振频率大于第二谐振器的谐振频率。另外，第三谐振器的谐振频率可以小于第一谐振器的谐振频率。
19.为了更好地理解本发明的性质和优点，应当参考以下描述和附图。然而，应当理解，各个附图仅为了说明的目的而提供，而不是旨在作为对本发明的范围的限制的限定。而且，作为一般规则，并且除非从描述中明显相反，否则在不同附图中的元件使用相同的附图标记的情况下，元件在功能或目的上通常是相同的或至少类似的。
附图说明
20.图1a是根据本发明实施例的使用单总线的级联谐振器光子对源的图示；
21.图1b是根据本发明实施例的一系列谐振光谱增强的图示；
22.图2a至图2b例示了根据本发明实施例的从级联谐振器光子对源生成的光子的联合光谱幅度的近似图形描述；
23.图3是根据本发明实施例的级联谐振器光子对源的图示，该级联谐振器光子对源包括分离的泵浦和光子总线，具有耦合的光学谐振器；
24.图4例示了根据本发明实施例的用于级联谐振器光子对源的泵浦再循环设计的简化图；以及
25.图5例示了根据一些实施例的采用级联谐振结构的频率转换系统。
具体实施方式
26.本文所公开的技术总体上涉及光子对源。这种源产生相关光子对，每个光子对包括通常称为信号光子和宣布式(herald)光子的光子。通过检测宣布式光子，宣布信号光子的存在以供使用。
27.在一些实施例中，光子对源由三阶或二阶非的线性光学材料(例如硅、氮化硅、富硅氮化硅、锗化合物、富硅锗、硫族化物玻璃、有机化合物、pzt、bto、linb等)中的集成波导结构构成。泵浦激光器耦合到这些波导结构，使得可以发生自发四波混合(sfwm)或自发参量下转换(spdc)。在sfwm过程中，两个泵浦激光光子可以在非线性光学材料中转换为一对子光子(例如信号光子和宣布式光子)。由于能量守恒，所生成的信号光子和宣布式光子可以处于围绕泵浦频率对称分布的频率。通常，由于这种光谱相关性，宣布的信号光子可以处于混合态，在这种情况下，源在随后的试验中不产生相同的光子。所生成的对的频率分布(由联合光谱幅度(jsa)限定)由自发对生成过程中的能量守恒与动量守恒之间的相互作用控制。
28.一些实施例采用光学谐振器。在这样的实施例中，光学谐振器对状态的光谱密度(由光谱谐振增强限定)进行整形，使得光子对生成在谐振频率附近被增强。光学谐振器可以被实现为行波谐振结构。一种实现方式是成形为耦合到总线波导的环、跑道或其他闭合
曲线的波导中的环路。另一种实现方式使用反射镜和半透明反射镜来形成闭合的光束路径。光学谐振器还可以被实现为驻波谐振结构，例如法布里-珀罗腔、光子晶体腔的分布式布拉格光栅。
29.与非谐振器形式相比，在集成光学器件中使用光学谐振器的光子对源可用于增加sfwm光子对生成的亮度，其中，亮度是每个泵浦光子产生光子对的概率。亮度增加是由谐振频率附近的泵浦、信号和宣布的光谱谐振增强引起的。为了增加亮度，可以满足以下谐振条件：ν
p
＝ν
resm
,νs＝ν
resm-n
,νh＝ν
resm+n
。在此，ν
p
、νs、νh分别是泵浦场、信号场和宣布式场的频率。而且，在ν
res
中，上标指示谐振数量。m为正整数，n为任意整数。m阶的谐振条件是其中，l
eff
是谐振器的有效光学往返长度，并且c是光速。光学谐振器具有多个谐振频率。两个相邻谐振m&m+1之间的频率差是自由光谱范围(fsr)。谐振增强是状态的光谱密度的洛伦兹分布，以谐振频率为中心，并且具有由分布的半高全宽(fwhm)限定的带宽(在此也称为谐振线宽)。fsr/fwhm之比是谐振器的精细度。使用光学谐振器的光子对源的亮度随着精细度的增加而增加。
30.在基于单个光学谐振器的一些实施例中，源的亮度可以与源的带宽进行折衷。然而，例如用于线性光量子计算的采用许多单光子源的许多系统要求来自不同源的宣布式光子在分束器上干涉，以产生光子的纠缠态。然而，为了使由两个源产生的宣布式光子很好地干涉，每个源必须与另一个源几乎相同(例如谐振必须几乎相同)。如果只使用单个谐振器，则这对每个谐振器源的谐振频率的对准施加了严格的限制。
31.如果jsa可表达为宣布式光谱分布与信号光谱分布的乘积(jsa为可分离的)，那么源为光谱纯的。在基于单个光学谐振器的光子对源的一些实施例中，可以通过在宣布式谐振、信号谐振和泵浦谐振处定制系统的谐振带宽来优化光谱纯度。
32.本文所公开的技术涉及级联的谐振器源，其中，在若干光学谐振器中生成的光子对相干地加在一起，这可以导致的是增强的光谱纯度和亮度。通过在单个总线上级联多个谐振器源并相干地组合它们，可以改善亮度与谐振带宽之间的典型折衷。在一些实施例中，公开了级联源，即使构成级联源的谐振器具有偏移的谐振频率，级联源也可以产生大致相同的光子。
33.如本文所描述和公开的级联谐振器源可以用于任何光学器件，包括但不限于量子计算、量子通信、量子计量、光谱学、lidar和其他应用。
34.为了更好地理解在单个总线上相干地组合多个谐振器的源的特征和方面，通过讨论根据本发明实施例的级联源的实现方式来提供本发明的进一步的上下文。这些实施例仅是示例性的，并且可以在其它光子源和光子器件中采用其它实施例。
35.图1a例示了根据本发明实施例的级联谐振器光子对源100。级联谐振器光子对源100可以包括波导105和一系列光学谐振器110_1、110_2、...、110_n，每个光学谐振器具有不同的谐振频率。泵浦光(例如来自激光泵122)可以耦合到波导105的输入区域130，并且可以耦合到各个环形谐振器110_1、110_2、...、110n中。泵浦激光器可以具有编程的功率谱密度和光谱啁啾。各个光学谐振器110_1、110_2、...、110_n可以包括波导环路，使得当环形谐振器的光路长度是光波长的整数倍时，可以发生针对具有特定波长的光的谐振。各个光学谐振器可以支持满足谐振条件的多个波长的多个谐振。
36.图1b示出了根据一些实施例的多个谐振器的状态的谱密度的谐振增强和波长函数的曲线图。所示的各个分布(本文中也称为谐振曲线，或简称为谐振)以相应谐振器的“谐振频率”为中心，并且这些曲线在本文中被称为“谐振器谐振”。每个谐振器谐振具有光谱宽度，其限定为分布的半高全宽(fwhm)。该宽度在本文中被称为“谐振线宽”。泵浦、信号和宣布的谐振频率由ν
p,
、ν
s,
、ν
h,
给出，其中，j标记谐振器结构本身，例如图1a所示的环。然而，重要的是注意到，索引j(在图1b中按照谐振频率增加的顺序计数谐振)不与上述索引n(其表示谐振器在总线上的物理位置)耦合，即，谐振器的谐振频率在从输入端行进到输出端时不需要单调增加或者甚至不需要增加(或降序)。在图1b中，针对5个光学谐振器(其可以定位在沿着总线的任何位置)例示了谐振器谐振(对于三个场中的任一者)，其中，索引j从1到5，对应于150a-150e。不同谐振器之间的谐振频率的偏移(本文中也称为谐振偏移)可以通过光学谐振器波导宽度或光学谐振器长度或另一谐振器特性的小变化来获得。
37.返回到图1a，一系列光学谐振器光学耦合到总线，并且可以选择该系列谐振器的各个谐振频率，以提高由源生成的光子对的亮度和纯度。在图中，谐振器被标记为110_1、110_2、
…
、110_n，其中，索引n指示谐振器相对于器件的输入侧的物理位置(其中110_1是第一输入谐振器，110_2是定位为与谐振器110_1直接相邻的第二谐振器，等等)。在一些实施例中，沿着器件的一系列谐振器的一系列谐振频率(从输入到输出，或反之)可以是有序的(递增、递减)并且是等间隔的。在其他实施例中，当沿着器件向下移动时，由n索引的谐振器的谐振频率可以不是n的单调递增或递减函数，即，第一谐振器的谐振频率可以大于第二谐振器(其中第二谐振器定位为与第一谐振器直接相邻)的谐振频率，并且第三谐振器(其中第三谐振器定位为与第二谐振器直接相邻)的谐振频率可以小于第一谐振器的谐振频率。在一些实施例中，使第二谐振频率小于第一谐振频率并且使第三谐振频率大于第一谐振频率可以改善源的光谱纯度。如本文所用的，术语谐振频率的“频率跨度”是这些频率中的最大频率与最小频率之间的差。
38.一些实施例可以使用额外的可选色散元件，其调节两个光学谐振器之间的泵浦、信号和空闲之间的光学相位。图1例示了这样的器件100，其中，δk 115a是泵浦、信号和空闲之间的动量不匹配。在一些实施例中，色散元件可以使用任何类型的色散结构来实现，包括但不限于具有不同几何形状的波导、通过多模色散工程的啁啾光栅、或啁啾反射镜。色散元件可以以任何方式耦合到总线，例如，可以直接从总线波导形成和/或集成到总线波导中，或者光学耦合到总线(经由直接耦合或倏逝耦合等)。
39.根据一些实施例，谐振器的谐振器谐振可以重叠，如图1b所示。即，如果谐振器谐振被绘制为波长(或等效地，频率)的函数，则曲线下的面积大致重叠。在一些实施例中，如果两个谐振器谐振的相应谐振频率之间的差小于两个谐振中的一者的谐振线宽的两倍，则将两个谐振器谐振定义为重叠。在一些实施例中，被定义为重叠的谐振频率之间的差可以是几百皮米(例如100皮米)，或者在50皮米至400皮米(当使用频率单位时为5ghz-50 ghz)的范围内。
40.在一些实施例中，泵浦脉冲谱是具有受控带宽的高斯谱。在此，术语带宽指的是泵浦功率谱密度的fwhm。在一些实施例中，泵浦光谱具有受控的光谱啁啾(非零二次光谱相位)。泵浦光谱的fwhm可以小于谐振的频率跨度
41.图2a例示了级联谐振器光子对源100的jsa的图200。区域205例示了泵浦函数，其说明了从泵浦脉冲生成光子对的能量守恒。区域210例示了由于级联谐振器源中的多个谐振器而导致的共同光谱谐振增强。当泵浦、信号和宣布的光谱增强从一个谐振器到另一个谐振器一起偏移时，该区域近似正交于泵浦函数。泵浦函数和共同光谱增强的相互作用可以导致近似2d高斯分布的jsa，由区域215例示。该jsa可以被制成近似可分离的，这导致了高的光谱纯度。级联谐振器源100可以是相对明亮、光谱纯的光子对源。高纯度意味着＞99％，而低纯度或标准纯度为近似90％。在一些实施例中，例如，区域215所例示的jsa的纯度可以是99.9％，然而在其他实施例中，该纯度可以不同。
42.级联谐振器源100对于长距离过程变化是鲁棒的。更具体地，制造缺陷经常导致所有的ν
p,j
、ν
s,j
、ν
h,j
一起偏移。如果级联谐振器源的所有谐振频率一起偏移，则泵浦“选择”谐振器110_1、...、110_n的子集来与之相互作用。所得到的jsa可以几乎与标称源的jsa相同。
43.图2b例示了级联谐振器源的图，其示出了过程可变性对jsa的影响。图2a例示了标称源的共同光谱增强，图2b示出了受到由于过程变化(例如波导薄膜厚度变化)而引起的所有谐振频率的偏移影响的源。在这种配置中，过程变化的结果仅仅是将共同的光谱谐振增强偏移到新的位置210’。然而，因为共同光谱谐振增强的频率跨度大于由过程变化引起的偏移，所以区域215在很大程度上不受影响。这使得系统对于制造过程的可变性能够是鲁棒的。
44.对特性和操作的以上解释可以被认为是近似和/或简化，并且本公开并不受这些解释的限制。在一些实施例中，完全模拟基础设施包括泵浦传播、色散、非线性、损失、多光子、非扰动效应和其它考虑因素。
45.图3例示了根据本发明实施例的级联源300的实施例。在该实施例中，一系列光学谐振器303包括一行光学谐振器310a...310n和另一行光学谐振器320a...320n，然而在其它实施例中，该系列光学谐振器可具有不同于该图示的其它合适形状。一系列光学谐振器303设置在第一波导305与第二波导325之间。激光泵浦源耦合到第一波导305，第一波导305定位为将光耦合到各个光学谐振器320a...320n中。各个光学谐振器320a...320n被相应的相移315a...315n(标记为φ)分开。各个光学谐振器320a...320n被定位为将光耦合到相应的光学谐振器310a...310n，相应的光学谐振器310a...310n将光耦合到第二波导325中。
46.在其它实施例中，可以使用耦合光学谐振器来代替单个光学谐振器。在另外的实施例中，可以使用准相位匹配技术，其中，使用空间调制的非线性特性来在对生成过程中设计动量匹配。
47.上述光子对源可以导致性能的无数改进，包括但不限于以下改进。首先，所公开的结构可以将宣布式光子的带宽与源亮度解耦。相比之下，先前的光学谐振器光子对源通过使谐振频率变窄来实现更高的亮度。在本文所公开的级联谐振器源中，这种限制被消除，从而显著地增加了设计空间。例如，在给定其他系统考虑因素的情况下，可以选择带宽。
48.本文所述的光子对源的第二个改进是，如果两个光子对源共享大致相同的泵浦，则两个分离的光子对源可以产生大致相同的宣布式光子，而与由长距离过程变化对所有光学谐振器赋予的谐振频率偏移无关。这个特征允许不同的光子对源产生大致相同的宣布式光子。这可以将所需的调整和/或调节减少几个数量级，以实现不同光子对源的频率对准。
49.第三个改进是，本文所述的光子对源可以产生高斯光子。在一些实施例中，高斯分
布是期望的单光子波包形状，因为它对于色散、定时抖动等是鲁棒的。相比之下，典型的单个光学谐振器源不产生高斯光子。
50.另一个优点是，本文所述的光子对源可以实现高的光谱纯度。
51.图4例示了紧凑型泵浦再循环级联源400的一个实施例的简化图。如图4所示，再循环级联谐振器源400包括多个再循环谐振结构405a...405n，各个再循环谐振结构405a...405n包括耦合到相应的谐振总线415的多个环410。在一些实施例中，级联源400提供了额外的益处：当泵浦离开源时，其不会在光谱上改变，而是仅被延迟。如果总线波导变成谐振器，则由级联谐振器源引起的该额外延迟可以允许匹配腔长度，以便同步地泵浦源。更具体地，当泵浦激光重复率与级联谐振器源中累积的延迟匹配时，泵浦脉冲可以被腔增强，因此显著地降低所需的外部泵浦功率。在一些实施例中，当临界耦合时，可以生成高达两个数量级的倍数的进一步增强。
52.尽管级联源被描述和例示为一种特定类型的源，但是本发明的实施例适于与多种系统一起使用，包括但不限于量子计算机和lidar系统。经由级联谐振器产生的共同光谱增强可以由任何参数波混合过程(例如，用于单谐波生成、差频生成(dfg)和/或光参量振荡)使用，但不限于此。
53.图5示出了根据一些实施例的基于级联谐振器结构的频率转换系统500。该结构类似于以上关于图1详细描述的光子对源结构，并且为了清楚起见，在此不描述重复的元件。在一些实施例中，级联谐振器频率转换系统的输入可以包括两个激光器，freq.2和freq.1，每个激光器具有不同的频率。这些激光器可以输入到光组合器件(例如波分复用器件，这里示出为wdm 505)上。在这种情况下，级联谐振器结构可以在输入之间生成混频，例如差频或和频生成。在一些实施例中，输出wdm 515可以用于将经转换的频率(例如，和频和/或差频)从激光器freq.2和freq.1所生成的输入激光中分离。当freq.2和freq.1可能不如经转换的频率有用时，这种频率转换可用于从freq.2和freq.1生成新的频率。例如，可能freq.2和freq.1不容易被检测到，但是经转换的频率很容易被可用的检测器检测到。与包括波导或单个光学谐振器的用于频率转换的其它方法相比时，级联谐振器频率转换结构可以改善混频的亮度。
54.在前述说明书中，已经参考可以随实现方式而变化的许多具体细节描述了本发明的实施例。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。本发明的范围的唯一且排他的指示以及申请人旨在作为本公开的范围的指示是以一组权利要求发布的具体形式从本技术发布的这种权利要求的字面和等效范围，包括任何后续修正。特定实施例的具体细节可以以任何适当的方式组合，而不脱离本公开的实施例的精神和范围。
55.另外，例如“底部”或“顶部”等的空间相对术语可以用于描述元件和/或特征与另一个或多个元件和/或特征的关系，例如如附图例示的。应当理解，空间相对术语旨在除了包含附图中描述的方位之外还包含器件在使用中和/或操作中的不同方位。例如，如果图中的器件被翻转，则被描述为“底”面的元件然后可以被定向为“在”其他元件或特征的“上方”。器件可以以其它方式定向(例如旋转90度或处于其它方位)，并且相应地解释本文所用的空间相对描述。