基于薄膜钽酸锂（TFLT）因其低光折变噪声、高光损伤阈值和降低的双折射特性，已成为一种有前景的集成光子平台，在可扩展光子技术领域引起了越来越多的关注。在此，我们首次展示了基于TFLT、通过自发四波混频实现的量子光源，从而弥合了快速发展的经典TFLT生态系统与集成量子光子学之间的差距。所制备的微环具有350 GHz的自由光谱范围和106的光学品质因子，能够实现高效的腔增强非线性相互作用。在1510 nm至1570 nm的通信波段内产生了相关光子对，在波长为1535.04 nm处，光子对产生率达到24 MHz/mW²。该光源在170 kHz的触发速率下，输出具有强反聚束特性的触发单光子，其gH^(2)(0)=0.071±0.004；而未触发条件下的统计结果为g^(2)(0)=1.93±0.05，表明其发射接近单时间模式。能量-时间纠缠进一步通过92.55±0.94%的原始双光子干涉可见度得到验证，该值远高于贝尔不等式违背的阈值。这些结果确立了TFLT作为一种与制造工艺兼容的平台，可用于可扩展的光子量子电路，为经典与量子光子功能的单片共集成铺平了道路。

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引言——薄膜铁电技术的快速发展为集成光子学奠定了多功能基础，其中薄膜铌酸锂（TFLN）已成为高性能光信号处理领域广泛采用的技术平台[1–4]。作为铁电家族中的互补成员，薄膜钽酸锂（TFLT）近年来引起了越来越多的关注，其材料特性对可扩展光子技术极具吸引力[5, 6]。尤其值得注意的是，TFLT具有抑制的光折变效应、更高的光损伤阈值以及降低的材料双折射，这些特性共同促进了器件的稳定运行，并简化了偏振不敏感电路的设计[7, 8]。结合其与晶圆级、大批量制造工艺的兼容性[5, 9]，这些优势推动了经典TFLT绝缘体上薄膜钽酸锂（LTOI）器件的快速发展。近期进展包括高速电光调制器[10, 11]、品质因子超过10⁷的超高Q值微环谐振腔（MRR）[12, 13]，以及稳定的倍频程耗散克尔孤子微梳[14, 15]。

集成量子光源是新兴量子技术（包括安全量子通信、大规模量子计算和精密量子计量）不可或缺的组成部分[16–18]。在多种材料平台上已取得了显著进展，包括光纤[19]、二氧化硅基微谐振腔[20, 21]、氮化硅[22–25]、碳化硅[26]、铌酸锂[27, 28]和氮化镓[29]。每个平台在非线性效率、可扩展性和制造兼容性方面都有不同的权衡，这推动了对集成量子光子学新型材料系统的持续探索。尽管TFLT在经典光子学领域发展迅速，但在该平台上量子光的产生和操控仍有待深入探索。

在本工作中，我们首次报道了基于TFLT微环谐振腔、通过自发四波混频（SFWM）过程实现的量子光产生。通过利用其高光学品质因子（Q ≈ 10⁶），我们在通信波段（1510–1570 nm）产生了光子对，在波长为1535.04 nm处，光子对产生率达到24 MHz/mW²。该光源的高纯度通过测量得到的触发二阶自相关函数 g_H^(2)(0) = 0.071 ± 0.004 以及未触发二阶自相关函数 g^(2)(0) = 1.93 ± 0.05 得到验证。此外，我们展示了能量-时间纠缠，原始双光子干涉可见度达到 92.55 ± 0.94%，显著超过了贝尔不等式违背的阈值，且无需进行噪声扣除。这些结果确立了LTOI平台作为光子量子电路的可扩展且与制造工艺兼容的材料系统，为经典与量子光子功能的单片共集成开辟了道路。

器件优化与表征——图1(a)展示了TFLT芯片上含有一系列微环谐振腔的光学显微图像，凸显了钽酸锂平台用于可扩展大规模量子光子电路的潜力。该器件制备于绝缘体上钽酸锂平台之上，如图1(b)所示，该平台由600 nm厚的LiTaO₃器件层、4.7 μm厚的SiO₂缓冲层和525 μm厚的硅衬底组成。波导采用部分刻蚀，刻蚀深度为400 nm，留下100 nm的平板层，侧壁角度约为70°。

图 1. LiTaO₃ 微环谐振腔的器件设计与表征。
(a) 含有一系列微环谐振腔的 TFLT 芯片的光学显微图像，凸显了钽酸锂平台用于可扩展大规模量子光子电路的潜力。
(b) 器件的横截面示意图，由 600 nm 厚的 LiTaO₃ 层、4.7 μm 厚的 SiO₂ 缓冲层和 525 μm 厚的硅衬底组成。波导部分刻蚀深度为 400 nm，侧壁角度约为 70°。
(c) 所制备微环谐振腔的扫描电子显微镜图像。
(d) 在 1510 nm 至 1570 nm 范围内测得的透射谱（绿色曲线）和提取的负载 Q 因子（紫色圆点），显示自由光谱范围约为 350 GHz。阴影区域分别表示代表性的信号光、泵浦光和闲置光谐振峰。
(e)-(g) 分别为信号光、泵浦光和闲置光模式测得的谐振曲线，得到的负载 Q 因子分别为 8.7 × 10⁵、1.0 × 10⁶ 和 7.9 × 10⁵。

环形波导和总线波导的顶部宽度分别设计为1.90 μm和1.42 μm。微环谐振腔的半径为60 μm，环形波导与总线波导之间的间隙为0.45 μm。采用透镜光纤将光耦合进入和引出芯片，每个端面的实测耦合损耗约为7 dB。图1(c)展示了所制备器件的扫描电子显微镜（SEM）图像。图1(b)呈现了微环谐振腔的概貌，而图1(c)显示了耦合区域的放大图像。滑轮式耦合几何结构实现了总线波导与腔模之间的高效耦合。图1(d)显示了从1510 nm到1570 nm范围内的实测透射谱以及提取的负载Q因子。在测量波长范围内，谐振峰近乎均匀分布，对应约350 GHz的自由光谱范围（FSR）。在整个通信波段内，负载Q因子保持在10⁶量级，表明其具有低传播损耗和有利于非线性相互作用的腔增强效应。信号光、泵浦光和闲置光模式的透射谱分别如图1(e)–1(g)所示，其负载Q因子分别为8.7 × 10⁵、1.0 × 10⁶和7.9 × 10⁵。这些结果证实了所制备的TFLT微环谐振腔同时提供了高光学质量和合适的色散特性，这对于通过SFWM过程实现高效量子光源至关重要。

图 2. 实验装置示意图。
(a) 相关光子对的产生。(b) 关联特性测量。(c) 光子频谱测量。(d) 采用 HBT 实验装置的触发单光子测量。(e) 基于双光子干涉的能量-时间纠缠测量。
TL：可调谐激光器，VOA：可变光衰减器，PC：偏振控制器，BS：分束器，PM：功率计，DWDM：密集型波分复用器，SNSPD：超导纳米线单光子探测器，TDC：时间数字转换器，TBF：可调谐带通滤波器，UMI：非平衡迈克尔逊干涉仪。λs 和 λi 分别为信号光子和闲置光子的波长。SNSPD 的工作温度为 2.2 K。

光子对产生与表征——光子对产生与表征的实验装置如图2所示。如图3(a)所示，泵浦光由工作在1540.29 nm（ITU-C46）的连续波电信波段激光器提供。其功率和偏振分别通过可变光衰减器（VOA）和偏振控制器（PC）进行控制，同时使用一个90:10的分束器进行功率监测。为了抑制泵浦激光器的边带噪声以及光纤尾纤中产生的拉曼光子，泵浦光在通过一根10 cm长的透镜光纤尾纤耦合进入芯片之前，先经过一个以ITU-C46为中心波长的高隔离度（≥120 dB）密集型波分复用器（DWDM）。从芯片出射的光被送入隔离度至少为50 dB的泵浦滤除模块，以去除残余泵浦光。所产生的信号光（1535.04 nm，ITU-C53）和闲置光（1546.12 nm，ITU-C39）随后经过两个DWDM滤波，并由探测效率为90%、暗计数率为50 Hz的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）进行探测。探测器输出被送入时间数字转换器（TDC）进行符合分析，如图2(b)所示。

图 3. 量子关联特性。
(a) 信号光子在 1535.04 nm 处的单边计数率随泵浦功率的变化关系。
(b) 在 0.3 mW 泵浦功率下测得的典型符合直方图。
(c) 符合计数率、偶然符合计数率以及计算得到的符合-偶然比 (CAR)。
(d) 谐振状态下相关光子与噪声光子的频谱分布。

图3(a)显示了在不同泵浦功率下，1535.04 nm处的单边计数率。在1.0 mW的泵浦功率下，信号光子的单边计数率为0.78 MHz。实验数据用圆圈表示，黑色曲线对应于使用函数 aP_p² + bP_p 的拟合结果，其中 aP_p² 项表示相关光子对的贡献，bP_p 项表示噪声光子的贡献。可以看出，二次项在光子计数中占主导地位，这表明产生的光子对具有高性能。图3(b)显示了泵浦功率为0.3 mW时的符合直方图，符合窗口为2.0 ns——对应于光子的相干时间。图3(c)显示了符合计数率、偶然符合计数率以及计算得到的符合-偶然比（CAR）。计算得到的光子对产生率为24 MHz/mW²，信号光和闲置光的收集效率分别为2.3%和1.9%。CAR值在符合计数率为14 Hz时达到158，在符合计数率为11.2 kHz时仍保持为10。

如图2(c)所示，使用可调谐带通滤波器测量了不同谐振模式下的单边光子计数率。测量数据使用函数 aP_p² + bP_p 进行拟合，以分离相关光子和噪声光子的贡献，如图3(d)所示。拟合出的贡献分别用紫色和绿色线表示，表明在1510 nm至1570 nm的波长范围内成功产生了相关光子对。

单光子纯度——进一步表征了单光子特性，如图2(d)所示。图4(a)显示了在1535.04 nm处测得的信号光子二阶自相关函数 g^(2)(T)。通过对实验数据进行拟合，提取出的 g^(2)(0) 值为1.93 ± 0.05，接近单模热场理想值2。该结果表明，产生的光子表现出近单时间模式统计特性，因此具有高单光子纯度。为了评估光源的光谱均匀性，测量了1510 nm至1570 nm范围内不同谐振模式下光子的未触发二阶自相关值，如图4(b)所示。在整个波长范围内，测得的 g^(2)(0) 值均接近2，证实了所产生的光子在宽电信频谱范围内保持了单模热场的特性。

图 4. 单光子特性。
(a) 在 1535.04 nm 处测得的信号光子二阶自相关函数 g^(2)(τ)。实线为拟合结果，得到 g^(2)(0) = 1.93 ± 0.05。
(b) 在 1510 nm 至 1570 nm 范围内不同谐振模式光子测得的 g^(2)(0) 值。虚线表示单模热场的理想值 2。
(c) 在触发率为 170 kHz 时测得的触发二阶自相关函数 g_H^(2)(τ)，得到 g_H^(2)(0) = 0.071 ± 0.004。
(d) 测得的 g_H^(2)(0) 随触发率的变化关系。

通过使用Hanbury Brown-Twiss装置测量触发二阶自相关函数 g_H^(2)(T)，进一步验证了触发单光子特性。如图4(c)所示，在探测光子计数率为170 kHz的典型测量中，得到 g_H^(2)(0) = 0.071 ± 0.004，显示出强烈的反聚束行为。这证实了触发单光子源的非经典特性和高纯度。图4(d)显示了在不同探测光子计数率下测得的 g_H^(2)(0) 值。可以看出，g_H^(2)(0) 随探测光子计数率的增加而逐渐增大，这主要归因于较高泵浦功率下多光子概率的增加。尽管如此，所有测量值均远低于0.5，证实了钽酸锂微环谐振腔中触发单光子源的高性能。

能量-时间纠缠——使用延迟时间为10 ns的非平衡迈克尔逊干涉仪进一步表征了所产生的光子对的能量-时间纠缠，如图2(e)所示。图5(a)和5(b)分别显示了在相长干涉和相消干涉条件下测得的符合直方图。在相长干涉条件下，中央符合峰显著增强；而在相消干涉条件下，中央符合峰被强烈抑制。两种情况下，侧峰几乎保持不变，表明只有不可区分的双光子振幅对中央峰的干涉有贡献。图5(c)显示了通过扫描干涉仪相位获得的单光子干涉图样。图5(d)显示了通过Franson干涉仪获得的中央符合计数随相位变化的干涉条纹。符合计数呈现出清晰的正弦变化，其周期等于单光子干涉周期的一半。通过对测量的符合计数进行拟合，并采用1000次蒙特卡洛方法，得到了92.55 ± 0.94%的原始双光子干涉可见度。该可见度远高于贝尔不等式违背的阈值，证实了所产生的光子对具有高质量的能量-时间纠缠。在相位扫描过程中，右侧坐标轴显示的信号光和闲置光的单边计数率几乎保持恒定。

图 5. 能量-时间纠缠特性。
(a) 相长干涉条件下测得的符合直方图。
(b) 相消干涉条件下测得的符合直方图。
(c) 测得的单光子干涉条纹随相位的变化关系。
(d) 中央符合计数的 Franson 干涉条纹随相位的变化关系。实线为正弦拟合结果，得到原始双光子干涉可见度为 92.55 ± 0.94%。右侧坐标轴显示相位扫描过程中信号光与闲置光的单边计数率，两者几乎保持不变。

讨论与结论——总之，据我们所知，我们首次演示了基于TFLT微环谐振腔、通过SFWM过程实现的量子光源。所制备的器件表现出10⁶量级的负载Q因子，实现了高达24 MHz/mW²的光子对产生。在1510 nm至1570 nm范围内观察到了宽带光子对产生，表明TFLT微环为通信波段上的集成量子光源提供了合适的腔增强效应和模式特性。此外，产生的光子表现出近单时间模式统计特性，g^(2)(0) 接近单模热场极限，而触发光子则显示出强反聚束效应，g_H^(2)(0) = 0.071 ± 0.004。高质量的能-时纠缠通过92.55 ± 0.94%的原始Franson干涉可见度得到进一步证实，且无需背景扣除。

我们的工作凸显了绝缘体上钽酸锂平台在集成量子光子学方面的独特潜力。与传统的TFLN相比，TFLT具有更弱的光折变效应、更高的光损伤阈值和降低的双折射，这些都有利于实现稳定的腔体运行、宽带非线性相互作用和可扩展的光子集成。这些材料优势，加上其与晶圆级、大批量制造的兼容性，使得TFLT对于开发可制造的量子光子芯片特别有吸引力。从这个意义上说，本工作将快速发展的经典TFLT生态系统拓展到了量子领域，为建立一个全面的铁电光子平台补充了缺失的构建模块。

性能的进一步提升仍有很大空间。通过减少芯片-光纤耦合损耗和片外滤波损耗，可以显著提高探测光子率。通过抑制寄生噪声（包括光纤组件中激发的拉曼光子以及与制造缺陷相关的过量散射），可以进一步改善CAR值。对材料质量、器件几何结构和腔耦合条件的进一步优化，也应能实现更高的亮度、更低的噪声和更宽的光谱覆盖范围。结合TFLT在高速电光调制、微梳产生和可扩展光子集成电路制造方面已有的能力，所展示的量子光源为在单个芯片上单片共集成经典和量子光子功能开辟了一条道路，为制造工艺兼容的量子光子电路提供了一个有前景的途径。

1、Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China

2、Center for Quantum Internet, Tianfu Jiangxi Laboratory, Chengdu 641419, China

3、Key Laboratory of Quantum Physics and Photonic Quantum Information, Ministry of Education, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China

4、State Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China

5、Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

6、Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China

7、Institute of Systems Engineering, AMS Beijing 100141, China

8、CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China