Dünnschicht-Lithiumniobat ist eine aufstrebende nichtlineare integrierte Photonikplattform, die sich ideal für Quantenanwendungen eignet. Durch spontane parametrische Abwärtskonvertierung (SPDC) können korrelierte Photonenpaare für die Quantenschlüsselverteilung, Teleportation und Berechnung erzeugt werden.
Damit SPDC effizient ist, ist die Phasenanpassung von entscheidender Bedeutung. Traditionell wird dies mit periodisch gepoltem Lithiumniobat (PPLN) durch Quasi-Phasenanpassung realisiert, einer Technik, die in den 1980er Jahren entwickelt wurde. Trotz seiner weiten Verbreitung ist die ultimative nichtlineare Effizienz von PPLN begrenzt
Das neu entwickelte LPLN überwindet diese Herausforderungen durch schichtweise Domäneninversion des gesamten Dünnfilms durch elektrische Polung. Es kann eine höhere nichtlineare Effizienz als herkömmliches PPLN erreichen und den Herstellungsprozess vereinfachen. Die Forschung ist veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungen.
„Das war eine zufällige Entdeckung“, sagte Di Zhu, Assistenzprofessor an der NUS. „Die teilweise Domänenumkehr war ursprünglich ein Herstellungsfehler, erwies sich jedoch als überraschend hilfreich und zuverlässig für eine effiziente nichtlineare Wellenlängenumwandlung und Photonenpaarerzeugung.“
Das Forschungsteam nutzte einen kaskadierten Prozess zur Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) und SPDC in einem einzigen LPLN-Wellenleiter, um Breitband-Telekommunikationsphotonenpaare zu erzeugen. Dieser optimierte Aufbau erfordert nur Standard-Telekommunikationskomponenten, wodurch die Technologie leichter zugänglich und einfacher in praktische Anwendungen zu implementieren ist.
„Wir haben die hocheffiziente SHG- und Photonenpaarerzeugung in LPLN-Wellenleitern erfolgreich demonstriert“, sagte Xiaodong Shi, der Hauptautor des Papiers.
„Theoretisch kann die SHG-Effizienz doppelt so hoch sein wie bei herkömmlichen PPLN-Wellenleitern. Ihre herausragende nichtlineare Leistung in Kombination mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber geometrischen und Temperaturschwankungen machen sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für die quantenintegrierte Photonik.“
Als nächstes möchte das Team die Leistung und Skalierbarkeit dieser Geräte weiter optimieren und sie für Quantenkommunikation und Netzwerkanwendungen nutzen.
Weitere Informationen:
Xiaodong Shi et al., Effiziente Photonenpaarerzeugung in schichtpolierten nanophotonischen Wellenleitern aus Lithiumniobat, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01645-5