[發明專利]一種微諧振腔系統及其光子最大產生速率控制方法

在審

• 申請號: 202310503494.4
• 申請日: 2023-04-28
• 公開（公告）號: CN116520617A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 徐競;陳諾;王子杰;張新亮
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 鄧彥彥;廖盈春

本發明提供一種微諧振腔系統及其光子最大產生速率控制方法，系統包括：輸入通道、微諧振腔及輸出通道；所述輸入通道，用于向微諧振腔輸入泵浦光；所述輸出通道，用于將所述微諧振腔內產生的信號光和閑頻光對應的光子對輸出；所述微諧振腔的一側與輸入通道在泵浦光諧振峰處臨界耦合；所述微諧振腔的另一側與輸出通道在信號光諧振峰和閑頻光諧振峰處過耦合，其耦合系數越大，微諧振腔允許的單光子最大產生速率越高。本發明在保證泵浦光高功率效率的情況下提升微腔在信號光頻率處和閑頻光頻率處允許的最大光子流速率。對于最大允許光子流速率的提升，來源于過耦合條件所帶來的光子壽命的縮短，以及信號光和閑頻光諧振峰的展寬。

技術領域

本發明屬于量子光學領域，更具體地，涉及一種微諧振腔系統及其光子最大產生速率控制方法。

背景技術

基于微諧振腔自發非線性效應的光子產生方法是集成量子光源的重要資源。這一類光子產生方法因其獨特的，成對產生光子的機制，而被用作宣布式單光子源或糾纏光子源，進而在量子計算，量子保密通信等應用方面有重多應用。微諧振腔的諧振效應能夠有效增強腔內光場強度，從而增強光與物質的相互作用，進而提升非線性效應的強度。基于此，利用微諧振腔自發非線性效應的單光子源能夠實現高效的糾纏光子對產生，或是用于宣布式單光子源。

然而，基于微諧振腔的單光子源在光子產生原理上，存在一個矛盾。由于產生的光子受到微腔的品質因子的影響，其所允許的最大光子產生速率會因為品質因子的上升而下降。具體來說，對于一個低損耗高品質因子并且處于臨界耦合的單微環諧振腔，它的高品質因子會使產生的光子在時域上的壽命增長，從而導致其不允許高重復頻率的光子流出射，否則會造成單光子波包在時域上的重疊。在另一方面，由于高品質因子微腔的諧振峰線寬進一步變窄，光子流脈沖的傅里葉變換必須被限制在諧振峰的帶寬內，所以更高的品質因子的微環無法通過高重復頻率的光子流，這就進一步限制了高速率單光子源的應用。

為了擺脫基于微腔的單光子源存在的光子產生速率的上限，通過過耦合的方法能夠比較好的展寬諧振峰，同時犧牲了一定的品質因子來縮短光子的壽命，從而允許更大重復頻率的光子流出射，提高允許的速率上限。但是，過耦合會嚴重破壞微環的場增強因子，進而導致非常嚴重的效率的下降。因此，需要通過分立地調控諧振峰，來保證自發非線性效應的效率。

即使基于微腔自發非線性效應的光子產生方法在效率上仍然很低，但隨著材料科學的進步和制造工藝的進一步提高，這樣的單光子源最后一定會到達光子產生速率的上限。因此，在盡量不犧牲自發非線性過程效率的前提下，尋找一種特殊的替代方法來替換過耦合的方案是非常有必要的。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種微諧振腔系統及其最大光子產生速率控制方法，旨在解決現有技術在保證微諧振腔自發非線性效率的同時，無法提高光子產生速率上限的問題。

為實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種微諧振腔系統，包括：輸入通道、微諧振腔及輸出通道；

所述輸入通道，用于向微諧振腔輸入泵浦光；

所述輸出通道，用于將所述微諧振腔內產生的信號光和閑頻光對應的光子對輸出；

所述微諧振腔的一側與輸入通道在泵浦光諧振峰處臨界耦合；

所述微諧振腔的另一側與輸出通道在信號光諧振峰和閑頻光諧振峰處過耦合，其耦合系數越大，微諧振腔允許的單光子最大產生速率越高。

在一個可選的示例中，所述微諧振腔與輸出通道的耦合距離越近，所述耦合系數越高。

第二方面，本發明提供一種上述第一方面提供微諧振腔系統的光子最大產生速率控制方法，包括以下步驟：

選用預設材料制備所述微諧振腔，使其本征損耗在預設范圍內，以保證微諧振腔自發非線性效應的效率；