芯片上的电泵浦超亮纠缠光子

中国科学技术大学潘建伟教授、张强教授及其合作者，通过混合集成分布式反馈激光器与薄膜铌酸锂光子芯片，成功实现了电泵浦、片上集成的高亮度偏振纠缠源，向集成化量子信息处理迈出重要一步。相关成果以“芯片上的电泵浦超亮纠缠光子（Electrically Pumped Ultrabright Entangled Photons on Chip）”为题，发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

纠缠量子光源是量子信息科学的核心资源之一，广泛应用于量子通信、量子计算和量子精密测量等领域。传统纠缠光子源主要基于块状非线性晶体或波导，通常需要外加独立激光器来实现光泵浦，这极大限制了纠缠源的集成度和可扩展性。相对于光泵浦，电泵浦方案则通过片上直接注入电流实现非线性参量过程，避免了外置激光器的使用，从而提升纠缠源的集成度和扩展性。近年来，尽管集成光子平台如硅、氮化硅、铌酸锂等发展迅速，但同时实现高亮度、高集成度的电泵浦纠缠光子源仍面临挑战。

(a) 电泵浦偏振纠缠光子源实物图；(b) 混合集成示意图；(c) 波导结构与光场模式分布；(d) 薄膜铌酸锂芯片扫描电镜图；(e) 双通道PPLN波导电镜图；(f) 偏振旋转合束器电镜图

研究团队创新性地采用分布式反馈（DFB）激光器与薄膜铌酸锂（TFLN）光子芯片混合集成的方案，利用半导体所牛智川研究员团队开发的780 nm波段DFB激光器，结合济南量子技术研究院的集成化双通道参量下转换TFLN光子芯片，最终实现了高效的自发参量下转换以及片上偏振纠缠态制备。

电泵浦偏振纠缠光子源封装示意图

其中，TFLN光子芯片集成了多模干涉分束器、双通道周期性极化铌酸锂波导以及偏振旋转合束器。通过直流或脉冲电信号泵浦，团队在室温下实现了超高亮度的偏振纠缠光子对产生，亮度达到4.5×10¹⁰ Hz/mW，带宽达到73 nm，该亮度较此前基于氮化硅平台的电泵浦纠缠源提升了6个数量级，带宽提升了1个数量级。

实验结果表明，该纠缠源在多个波长信道下均表现出保真度大于96%的贝尔态特性，并具备宽带复用能力，器件尺寸仅为15 mm×20 mm，展现出优异的集成度。该器件适用于波分复用的光纤网络量子密钥分发、基于卫星的星地量子通信，以及基于纠缠的量子精密测量等应用场景。