在本研究中，我们在薄膜铌酸锂平台上展示了首个混合集成QFC芯片，实现了电信波段与可见光波段的连接。受益于周期极化微环谐振腔，其归一化转换效率高达386,000 %/W，使得所需泵浦功率仅为360 µW，比传统直波导方案低两个数量级以上。通过向芯片注入电流，我们实现了片上量子效率57%以及约7k次/秒的噪声计数。

这种电泵浦、集成化且具备可扩展性的QFC芯片将显著推动量子网络的集成与芯片级量子光学系统的发展。

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Xie,2, 3 Ming-Yang Zheng,2, 3 Qiang Zhang,1, 2, 3 and Jian-Wei Pan1, 3

1 Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale and School of Physical Sciences,University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China

2 Jinan Institute of Quantum Technology and CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics,University of Science and Technology of China, Jinan, 250101, China

3 Hefei National Laboratory, University of Science andTechnology of China, Hefei, Anhui 230088, China

I. 引言

量子频率转换（Quantum Frequency Conversion, QFC）能够在保持光子量子统计特性的同时，实现光子频率的相干转换，是量子科学与技术中实现波长兼容的关键技术 [1,2]。这一能力已被广泛用于解决不同量子系统之间的关键频率失配问题，包括量子存储器 [3–10]、单光子源 [11–15]、基于光纤的量子网络 [16–21]，以及基于卫星或无人机的自由空间量子通信系统 [22]，从而推动了量子网络的发展。

此外，基于QFC的光子探测与干涉也在多个领域展现出广泛应用，包括量子密钥分发 [23]、单光子激光雷达与成像 [24–26]，以及天体物理干涉测量 [27–30]。

在过去几十年中，QFC主要通过体晶以及弱约束波导结构中的和频产生（Sum-Frequency Generation, SFG）与差频产生（Difference-Frequency Generation, DFG）过程来实现 [3–21, 23–32]。近年来，薄膜铌酸锂（Thin-Film Lithium Niobate, TFLN）平台因其优异的光学非线性、灵活的铁电畴工程能力以及强光学约束性能，成为片上QFC实现的有力候选 [33,34]。然而，目前基于TFLN的系统通常依赖于光泵浦架构，需要外部体积庞大的激光器，这不仅带来尺寸上的限制，还在可扩展性上存在瓶颈 [35–38]。为克服这一挑战，将泵浦激光器与TFLN芯片集成的电泵浦方案提供了一条极具潜力的途径。

然而，典型的激光芯片输出功率仅为数毫瓦至数十毫瓦，而传统QFC通常需要数百毫瓦级别的泵浦功率 [3–21, 23–37]。更为重要的是，随着量子网络的发展，迫切需要片上多通道QFC来实现不同量子系统的互联与多重操控，如图1所示。要实现这一目标，每通道的泵浦功率必须降低到毫瓦甚至亚毫瓦量级。因此，发展一种电泵浦的超高效QFC方案已成为一个紧迫且关键的挑战。

图 1. 集成 QFC 芯片的示意图，用于处理多种量子系统，包括电信光纤、单光子源、量子存储器、单光子探测以及片上量子态操控。

在本工作中，我们展示了一种基于TFLN芯片上周期极化铌酸锂（PPLN）微环谐振器（Microring Resonator, MRR）的腔增强QFC过程，并采用混合集成激光芯片作为泵浦源。该器件实现了高达 386,000 %/W 的超高归一化转换效率，使得所需泵浦功率低至 360 µW。因此，QFC可以通过片上分布式反馈（DFB）激光芯片泵浦来实现，具备同时支持多通道QFC的能力。实验结果显示，我们实现了 57% 的量子效率 和约 7k cps 的噪声计数率，证明了在单光子水平下于电信波段与可见光波段之间实现片上QFC的可行性。

II. 方法与设计

本节介绍集成量子频率转换（QFC）芯片的设计与方法，其目标是利用单频 1064 nm 泵浦激光实现 1550 nm 信号光与 630 nm 可见光之间的频率转换，如图 2(b) 所示。分布式反馈（DFB）激光芯片通过边缘耦合的方式与TFLN芯片相连，其输出光高效耦合进入波导作为泵浦光源。方向耦合器（DC）将信号光与泵浦光高效地耦合进微环谐振器（MRR）。周期极化的微环谐振器作为核心器件，通过 type-0 准相位匹配（QPM） 和 三重共振 来实现高效的非线性频率转换。随后，设计了一个和频（SF）传输波导，以优化和频光的输出。接下来，我们将详细阐述 PPLN MRR 非线性原理、三重共振 MRR 的设计、方向耦合器以及 SF 传输波导的实现。

该 QFC 芯片基于 z-cut TFLN 晶圆制备，结构包括 600 nm 厚 MgO 掺杂铌酸锂层 和 2 µm 厚埋氧化硅（SiO₂）层，底层为硅衬底。我们将 1550 nm 信号光、1064 nm 泵浦光以及 631 nm 和频光 配置在准 TM 基模中，以充分利用有效非线性系数 d33。值得注意的是，采用 MgO 掺杂 TFLN 有助于抑制由光折变效应、热效应以及 Kerr 非线性在高品质因子（Q-factor）谐振腔中引起的不良动态效应，从而显著提高 MRR 的稳定性。

在本工作中，我们对 MRR 的设计与以往研究存在显著差异。具体而言，我们选择 双滑轮式（double-pulley）加-丢设计（add-drop），而非传统的全通型（all-pass）结构，以适应小失谐泵浦方案。在先前的研究 [38] 中，研究人员采用与信号光存在 8 nm 失谐的电信波段泵浦光，在全通型结构中实现和频产生。然而，这种方法会引入显著噪声，从而破坏量子态，使得在单光子水平实现 QFC 变得十分困难。通常而言，为了获得低噪声计数率的实用 QFC，三种参与混频的光通常需要具有较大的波长差异，例如本工作展示的 SFG 过程就用于连接 电信光纤与基于金刚石颜色中心的量子存储器。

在全通型 MRR 设计 [39,40] 中，尽管可以保证 1550 nm 信号光与 1064 nm 泵浦光在基模下以优化耦合强度高效进入微腔，但在 631 nm 波长处实现高效的 SF 光输出仍然十分具有挑战性。为了解决这一问题，我们采用如图 2(c) 所示的 双滑轮加-丢设计。该结构允许针对三种混频波长进行独立设计，确保每个波长均能实现高效耦合，并最大限度地减少不同模式间的干扰。在该设计中，信号光与泵浦光通过耦合器 A 注入微环谐振器，而生成的 SF 光则通过耦合器 B 输出。该“解耦”式设计虽然引入了额外的耦合损耗，并在一定程度上降低了 MRR 的 Q 因子，但却显著提升了 QFC 芯片实用化的可行性。

A. PPLN 微环谐振腔（MRR）的原理

量子频率转换（QFC）过程的哈密顿量可以表示为：

B. 三重共振 PPLN 微环谐振器

在本节中，我们将详细介绍三重共振 PPLN 微环谐振器的设计。为了实现高效率的 QFC，并且使用亚毫瓦级的泵浦功率，我们仔细设计了微环谐振器中的耦合器 A 和 B，以下是主要参数：薄膜厚度为 600 nm，刻蚀深度为 420 nm，微环波导宽度为 1.73 µm，微环半径为 74 µm。当实现三重共振时，相关的方位模式数为 ms = 550，mp = 875，msf = 1584。相位匹配条件满足 M = msf − ms − mp = 159。对于总波导与微环之间的相位匹配，需要满足折射率匹配关系：nring · (R+wring/4) = nwg · (R+ gap + wring/2 + wwg/2)，其中 nring 和 nwg 分别表示总波导和微环模式的有效折射率，wwg 和 wring 分别是总波导和微环的宽度，R 是微环谐振器的半径，gap 是微环与总波导之间的距离【40】。

我们使用了 3D 有限元模拟来优化耦合器的设计（详细信息见补充材料）。在耦合器 A 中，wwg 和 gap 的设计分别为 600 nm 和 700 nm。而在耦合器 B 中，wwg 和 gap 的设计分别为 300 nm 和 390 nm。相应地，耦合器 A 和 B 上和频光的耦合强度分别为 κ²_sf, A ∼ 0.005 和 κ²_sf, B ∼ 0.05，而信号光的耦合强度分别为 κ²_s, A ∼ 0.03 和 κ²_s, B ∼ 0.004。考虑到典型的传播损耗 α ∼ 0.2 dB/cm 和在耦合器 A 和 B 处信号与和频光的模拟耦合强度，理论上的最大转换效率估计为 ∼ 73%，这可以通过约 100 µW 的泵浦功率实现，足以满足多通道片上 QFC 的需求。

C. 方向耦合器和和频光传输

为了高效地将 1550 nm 和 1064 nm 波段的光耦合到 PPLN 微环谐振器中并收集产生的 631 nm 和频光，我们设计了一个波长分复用器和低损耗的和频光传输光路，如图 2(b) 所示。信号光和泵浦光束通过一个由两个宽度为 0.75 µm、间隙为 0.9 µm 的相同直线波导组成的方向耦合器（DC）组合。

此外，和频光的输出模式必须转化为低损耗的基模，并改变传输方向以便后续操作。我们采用了一个急剧的锥形结构，该结构将波导宽度从 300 nm 快速扩展到 950 nm，有效避免了模式混合，同时保持 TM0 模式。通过优化的锥形长度为 4 µm，模式串扰损耗最小化为 0.24 dB。然后，采用可变曲率的欧拉弯曲波导来旋转和频光的传输方向，而不会引入过多的损耗和模式串扰【41】。欧拉弯曲通过其最大和最小曲率半径定义，分别表示为 Rmax 和 Rmin。有效半径 Reff 定义为覆盖相同区域的 90° 弧的半径。对于 631 nm 的和频光波长和 950 nm 的波导宽度，优化后的参数为：Rmax = 300 µm，Rmin = 28.5 µm，Reff = 50 µm。模拟结果表明，欧拉弯曲波导实现了最小的模式损耗 0.01 dB，从而实现了高效的光传输（详细信息见补充材料）。

III. 结果与讨论

为了构建如图 2(a) 所示的电泵浦 QFC，我们使用对接耦合技术将单模 DFB 激光器芯片与 TFLN 光子电路集成【42–44】。如图 2(b) 所示，这种混合集成方案能够有效地实现组件之间的光模式传输，耦合效率约为 20%。DFB 激光器发射水平偏振的泵浦光，波长约为 1064 nm，具有 85.5 pm/°C 的线性温度依赖性移位，这使得通过热调节实现精确的波长调谐成为可能。这一点至关重要，因为微环谐振器（MRR）表现出 GHz 级别的窄共振峰。在考虑到偏振模式不匹配的情况下，激光器芯片旋转 90°，以确保与 TFLN 芯片的高效耦合。MRR 的周期性极化通过外部电场极化方法实现【37】。随后，采用电子束光刻（EBL）和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺制造波导结构，结构的扫描电子显微镜（SEM）图像如图 2(d) 所示。

图 2. 在 TFLN 平台上电泵浦 QFC 的表征。(a) DFB 激光器和 TFLN 芯片的混合集成照片。(b) 集成 QFC 芯片的示意设计图。DC：方向耦合器；PPLN MRR：周期性极化铌酸锂微环谐振器；SF：和频。(c) 双滑轮加扣谐振器结构的示意图。(d) 扫描电子显微镜 (SEM) 图像展示了 TFLN 芯片的整体概况，并细节展示了方向耦合器和耦合器 A。

A. PPLN 微环谐振器和方向耦合器的表征

为了测量三个频率的 Q 因子，设计了一种专用方案，在同一芯片上不包含和频光传输路径。通过分别通过耦合器 A 在泵浦光和信号光波段注入可调单频激光，并通过耦合器 B 在和频光波段注入可调激光，对制造的 PPLN 微环谐振器的性能进行表征。测试芯片上的耦合器 B，其输入和输出端口的直线波导与总波导的宽度相同，均为 300 nm。

信号光、泵浦光和和频光的共振光谱如图 3(a) 所示。所有三个波长均工作在过耦合模式，信号光、泵浦光和和频光的内在 Q 因子分别计算为 Qs,0 = 1.01 × 10⁶、Qp,0 = 3.29 × 10⁶ 和 Qsf,0 = 8.93 × 10⁵，而加载 Q 因子分别为 Qs,l = 1.46 × 10⁵、Qp,l = 5.26 × 10⁵ 和 Qsf,l = 1.64 × 10⁵。信号光和泵浦光的内在 Q 因子由腔内传播损耗和耦合器 B 中的耦合损耗决定，而和频光的内在 Q 因子则由腔内传播损耗和耦合器 A 中的耦合损耗决定。使用由公式（3）导出的表达式 ηmax = (1 − Qs,l / Qs,0)(1 − Qsf,l / Qsf,0)，PPLN 微环谐振器的最大转换效率计算为 ∼ 70%，与理论设计表现出良好的一致性。

图 3. (a) 信号光、泵浦光和和频光的共振光谱。(b) 不同信号波长下方向耦合器的测量和模拟耦合效率。

此外，还制作了具有相同参数的独立方向耦合器结构来表征其性能。图 3(b) 显示了信号光的模拟和测量波长依赖的耦合效率，定义为从输入波导传输到邻近波导的光功率的比例。在 450 µm 长的方向耦合器中，耦合效率在 1533 nm 处达到 ∼ 98%，这是我们集成 QFC 芯片的 QPM 波长。泵浦光的耦合损耗也进行了类似的表征，测得为 ∼ 1.2%。信号光和泵浦光束有效地组合在一起，并具有较小的插入损耗。

B. 集成 QFC 芯片的表征

用于表征集成 QFC 芯片的实验设置如图 4(a) 所示。可变光衰减器 (VOA) 用于调节信号的功率。偏振控制器 (PC) 用于在通过带有模式场直径为 2.5±0.5 µm 的透镜光纤耦合到波导之前，调整信号光的偏振。双端耦合测量显示，信号在透镜光纤与 TFLN 芯片之间的耦合效率约为 30%。约 628 nm 的和频光通过非球面透镜 (AL) 收集，经过空间滤波系统 (Filters)，然后通过功率计进行检测。1064 nm 左右的 DFB 激光器的波长通过高精度温控模块进行精细调谐，以与腔体共振对准，确保泵浦光在腔内强耦合并稳定积累。然后，扫描信号波长在 1533 nm 附近，并记录收集的和频光的峰值强度。TFLN 芯片的温度设定为 40.5°C，并精细调节至约 0.02 K 的精度，以补偿由于热光效应和光学光致折射效应引起的共振轻微偏移，同时调整泵浦功率。最后，关闭信号光，并将输出光子过滤后耦合到多模光纤中，再通过硅单光子雪崩二极管 (SPAD) 检测。在考虑 SPAD 检测效率、背景噪声和自由空间光学中的传输损耗后，计算得到片上噪声光子计数。

图4. (a) 测量QFC芯片量子效率和噪声的实验设置。
VOA：可变光学衰减器；PC：偏振控制器；TEC：热电冷却器；AL：非球面镜头；滤光器：包括600 nm长通滤光器、800 nm短通滤光器和4 nm带通滤光器；PM：功率计；FC：光纤耦合器；SPAD：硅单光子雪崩光电二极管；LF：带透镜的光纤。
(b) 量子转换效率（蓝色）和芯片噪声（红色）与泵浦功率的关系。
(c) QFC芯片的噪声谱。虚线表示非线性噪声的包络线。

图 4(b) 显示了我们 QFC 芯片的量子效率 (QE) 和片上噪声随泵浦功率的变化。量子效率 η 计算为 η = Psfλsf / Psλs，其中 Ps 是芯片上的耦合信号功率（约 20 nW），Psf 是生成的和频光的输出功率。根据拟合曲线，最大量子效率出现在 360 µW 的泵浦功率下，对应的归一化转换效率为 386,000 %/W。因此，片上最大量子效率为 57%，噪声计数为约 7k cps。测得的片上量子效率与理论量子效率之间的差异归因于多个因素，包括方向耦合器引入的信号损耗、信号光耦合到高阶腔模式以及和频光的传输和收集损耗。从模拟和实验结果得到的最大量子效率对应的泵浦功率非常接近。理论上，泵浦功率与信号、泵浦和和频光的内在 Q 因子乘积成反比【39】。因此，观察到的差异可能源于设计和制造参数之间的差异，包括传播损耗以及耦合器 A 和 B 处的耦合强度。

当前的芯片上的量子效率（QE）与传统的直波导方案[20, 21, 32]相当，并且与之前基于PPLN MRR的工作相比，噪声计数减少了两个数量级[38]，确保了高性能单光子QFC的实现。此外，考虑到DFB芯片的输出功率和DFB与TFLN芯片之间的耦合效率，我们的设计可以支持超过10个通道的QFC。通过优化TFLN芯片输入端口的耦合设计，未来的实现可能达到数十个通道。此外，领域工程的灵活性允许定制的相位匹配，有助于实现跨不同量子系统的无缝互联和量子态操作，这些系统在不同波长下运行。

QFC设备的另一个重要特性是噪声光子生成，主要由强泵浦光通过自发拉曼散射（SRS）和自发参数下转换（SPDC）过程引起。此外，泵浦激光的二次谐波生成（SHG）诱发的SPDC和SRS过程也可能贡献不可忽视的噪声光子。为了进一步分析生成机制，噪声光子被耦合到多模光纤中，然后送到光谱仪。正如图4(c)所示，光谱中观察到明显的噪声峰值，与PPLN MRR的共振峰一致。尽管SRS和SPDC过程通常在SFG带宽内表现出平坦的光谱特征，在腔体输出处产生均匀强度的峰值，但图4(c)中显示的噪声峰值强度存在显著变化。这表明噪声主要来源于在信号带内生成的光子，这些光子随后通过SFG转化为SF带光子。此外，值得注意的是，PPLN MRR能够显著抑制芯片上的非线性噪声，这是与传统QFC设备相比的一个独特特点。

四、结论

通过将DFB激光器与TFLN芯片集成，我们成功开发了一款电泵浦的集成化且可扩展的QFC芯片，具有紧凑的混合平台（12 × 12 mm²）。作为实现混合集成的关键元素，PPLN MRR的超高标准化转换效率386,000 %/W确保了每个通道仅需360 µW的超低泵浦功率。通过向芯片注入电流，电信带的单光子被转换到可见光带，以匹配基于钻石色心的量子存储器。实现了57%的芯片量子效率和约7k cps的噪声计数。这样的集成化且可扩展的QFC芯片展现了同时支持多通道QFC的能力，这将显著推动量子网络的集成以及芯片级量子光学系统的发展，如图（1）所示。

为了满足未来量子科学和技术的需求，芯片上的多通道QFC成为一个必要的要求，尤其是对于多模态和多节点量子中继器以及分布式量子计算。特别是，当与芯片上的量子态操控和单光子探测集成时，完全芯片集成的量子芯片将引领量子技术的飞跃，深刻推进量子通信、量子计算和量子计量学的发展。