基于全介质超构表面的纠缠光子产生

Advanced Photonics 2021年第5期论文：

Matthew Parry, Andrea Mazzanti, Alexander Poddubny, Giuseppe Della Valle, Dragomir N. Neshev, Andrey A. Sukhorukov, "Enhanced generation of nondegenerate photon pairs in nonlinear metasurfaces," Adv. Photon. 3(5) 055001

量子纳米光子学近年来在诸多新兴的领域中应用广泛，包括量子计算、量子成像和量子通信，蓬勃的应用前景催生了科研人员对纠缠光子源的需求。为了实现小型化，新型纠缠光子源需集成在纳米尺度的光子芯片上。为了适应实际应用场景，纠缠光子源需要在室温下工作，并以高光子对产生率定向地发射通信波段的纠缠光子。

纠缠光子示意图（图片来自网络）

为了产生纠缠光子，利用自发参量下转换过程是最常用的一种方法。在该过程中，一个光子入射后可产生两个频率更低的纠缠光子。但是，传统途径中实现自发参量下转换所用器件的体积较大，长度往往为厘米量级，不利于集成。而当器件的尺寸缩小至纳米尺度时，过小的相互作用体积则会限制自发参量下转换过程的效率；同时，控制发射光子的方向性也变得具有挑战性。

全介质超构表面为增强和调控自发参量下转换中的光子发射提供了重要途径。然而，目前超构表面主要基于米氏共振的原理进行设计，品质因子相对较低。相应地，这类超构表面的发射光谱较宽，这也限制了光子的光谱亮度。新的研究表明，基于扩展的连续域束缚态共振可以调控超构表面中的模式，从而获得极高的品质因子。这意味着谐振体中的光子对产生过程可增强多个数量级。同时，所发射光子的波长具有极窄的带宽，从而具有很高的光谱亮度。

通过超构表面产生光子对的示意图：通过改变泵浦光可以调控光子的纠缠特性（该图由Andrei Komar和Matthew Parry提供）

近期，澳大利亚国立大学，米兰理工大学和圣彼得堡 ITMO 大学的研究人员发现，为提高自发参量下转换过程中所产生纠缠光子的亮度，可对应信号光子和闲频光子设计两个存在微小波长差的连续域束缚态。相比没有纳米结构的非线性材料薄膜，该设计可将纠缠光子的亮度提高5个数量级。

研究人员将该结果主要归因于被称为双曲横向相位匹配的新现象，基于该原理可以高效地产生具有宽动量范围的光子。相关成果以Enhanced generation of nondegenerate photon pairs in nonlinear metasurface为题，发表在Advanced Photonics 2021年第5期。

基于超构表面的纠缠光子对产生。 （a）由于超构表面不具有90o 旋转对称性且两个连续域束缚态具有相反的色散，因此横向的相位匹配是双曲抛物面。（b）光子对的角分布由横向的相位匹配条件决定。（c）通过改变泵浦光的偏振态，可以将所产生光子的偏振纠缠特性由无纠缠（施密特数为1）调制为完全纠缠（施密特数为2）。

该设计方案除了能够基于超构表面产生量子纠缠的光子对以外，还可以通过简单改变泵浦激光的线偏振态来调控光子的偏振纠缠，实现从完全纠缠到无纠缠的调制。这是一种易于实现的纠缠控制方法，能够满足实际应用中的需求。

基于该超构表面，研究人员还能够灵活地调控信号光子、闲频光子以及连续域束缚态的波长，为设计和控制发射光子的方向提供了可能性。

研究人员认为，这项工作将推进可集成纳米级纠缠光子源的发展， 对于发展可日常应用的小型化量子器件具有重要价值。

该研究得到了澳大利亚研究委员会 (No. DP190101559，CE200100010)和欧盟委员会Horizon 2020 METAFAST项目(No. 899673)的资助。