近日，红宝石9999hbs陈峰教授和逯鹤教授团队铌酸锂基量子光源方面取得新进展，成功研制出了产率高达41.77 GHz/mW、生成效率为58298的量子光源，相关研究成果以“High-Efficiency On-Chip Quantum Photon Source in Modal Phase-Matched Lithium Niobate Nanowaveguide”为题在线发表于国际光学权威期刊Laser & Photonics Reviews（中科院一区TOP期刊，影响因子9.8）上。博士研究生房晓旭、杜昊阳为论文的共同第一作者，王磊教授和博士研究生张秀全参与了该项工作并为器件加工提供了指导，论文通讯作者为陈峰教授和逯鹤教授，山东大学为论文的唯一作者单位。
铌酸锂(Lithium Niobate，LN)具有宽的透明窗口、较高的折射率以及较大的声光、非线性和电光系数，是一种极具吸引力的光子材料，有“光学硅”之称。LN的最大非线性系数d33 = -34.4pm/V，对应的高效率非线性转换可以用来产生基于自发参量下转换(SPDC)的量子光源。近年来，随着绝缘体上的铌酸锂薄膜(LNOI)迅速发展，LNOI片上的量子光源展现出了相对块材LN的优势，因此备受关注。要实现高效非线性转换过程，必须要解决相位失配的问题。传统的方法是基于铌酸锂畴反转机理的准相位匹配(QPM)技术，QPM需要外加强场（电场、光场等）来实现铌酸锂畴反转，且周期极化畴的不均匀性会影响SPDC的效率。另一种是基于模式的相位匹配(MPM)，利用基模和高阶模的折射率差实现泵浦光和信号光之间的相位差，从而实现相位匹配。不同于QPM，MPM不需要复杂的后加工技术，而且实现的是相位匹配，可以最大利用d33。然而，受制于基模和高阶模的电场分布模式(如图1a所示)，模式会相互抵消，进而影响SPDC的效率。
针对这一问题，研究团队设计并制备了双层LNOI(如图1b所示)，两层LN薄膜具有相反的轴向，从而解决了模式之间相互抵消的问题，增强了两个模式之间的转换效率，可以有效的产生关联光子对(如图1c所示)。研究团队利用微纳加工技术在在双层LNOI制备了脊形波导，观测到光子对的产率为41.77 GHz/mW(如图2a所示)。研究团队还测试了光子对之间的相关性与偶然事件之间的比率(Coincidence-to-Accidental Ratio, CAR)，CAR最大为58298 ± 1297，表明产生的两光子是高度关联的。
该研究成果大幅度提升了LNOI上的量子光源产率，光源的产率、生成效率(CAR)和二阶自相关综合指标属于国际领先水平(如表1所示)，有望推动LNOI上的集成光量子信息处理。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东省泰山学者项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202400782
