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引言
量子光子学已成为推动量子科学和技术发展的关键平台，利用光子的基本量子特性，如叠加态和纠缠态[1–4]。量子光子学的核心任务是对多光子量子态的受控生成、调制和探测，尤其是最大纠缠的双光子态，这些通常被称为贝尔态[5]。这些态通常通过量子态层析术进行表征，并通过违反贝尔不等式来验证[6]。这些纠缠态已成为各种量子信息科学的基石，包括纠缠分发[7, 8]、量子传输[9]、纠缠交换[10]、纠缠纯化[11]和多光子纠缠态的生成[12]。最后，大规模光子纠缠态，通常由多个贝尔态构建，对于多种量子信息协议和系统至关重要，包括量子密码学[13]、量子网络[14]、量子传感[15, 16]和基于测量的量子计算[17, 18]。尽管双光子贝尔态在光子的多种自由度上已得到广泛演示，但偏振纠缠在实施简便性、易于操控以及与标准偏振光学组件的兼容性方面具有特别优势。事实上，许多开创性的量子实验都依赖于偏振纠缠贝尔态的实现[7–12, 16]。
贝尔态生成的重大进展已经由大尺寸光学和光纤光学推动了数十年。实验系统大多利用自发参数下转换（SPDC），该方法基于二阶非线性晶体[5]，或自发四波混频（SFWM），该方法依赖于三阶非线性[19]。在这些成功的基础上，集成光子学作为量子光子学进一步发展的有前景的途径逐渐崭露头角[4, 20–24]。集成量子光子设备同时提供了诸如可扩展性、紧凑的占地面积、高稳定性、提高的非线性交互效率和可编程性等显著优势。这些集成光子设备的特点预计将促进从传统光学系统向微型化和可扩展系统的过渡，从而更广泛地实现量子光学系统的应用。具体而言，硅或氮化硅量子光子设备已实现了多种类型的贝尔态生成，利用光子的丰富自由度，如时间槽、偏振、频率槽和空间模式[24]。特别是，几种紧凑型偏振贝尔态生成方案已通过实验验证[25–28]。然而，与SPDC光源相比，基于硅的量子光子芯片可能表现出较低的亮度，并且在泵浦滤波和生成简并光子对方面面临严格要求和挑战[29]。
薄膜铌酸锂（TFLN）最近被认为是量子光子学最有前景的平台之一。这是因为TFLN独特地展现了强大的二阶非线性、宽广的透明窗口、电光调谐性以及与标准纳米制造技术的兼容性[30]。因此，基于TFLN的集成光子学已经实现了非线性量子光子态的高效生成和操控[31]。例如，已成功演示了高效的光子对生成[32–39]、紧凑型真空压缩器[40–45]和主动量子态操控[46, 47]。尽管集成TFLN量子光子设备已实现高性能的非线性量子光源，但纠缠态的实验演示仍然有限。最近，通过单个周期性极化铌酸锂（PPLN）波导、带有片上延迟线的不平衡马赫–曾德干涉仪和脉冲光源，已经成功演示了时间槽纠缠光子对源[48]。尽管TFLN量子光子学取得了如此大的进展，但在TFLN芯片上生成偏振贝尔态的源仍然难以实现。因此，成功地在TFLN芯片上生成偏振贝尔态可以克服硅基平台的局限性，并为可扩展的量子光子应用提供一种基础且多功能的量子光源。
在本文中，我们开发了一种紧凑型明亮偏振纠缠光子源，利用薄膜铌酸锂集成光子学。我们的设计结合了多模干涉仪（MMI）、两个独立的PPLN波导和偏振分离旋转器（PSR），以高效生成偏振纠缠光子对。通过利用连续波（CW）泵浦，我们的PPLN器件展示了高达508.5 MHz/mW的片上SPDC亮度，超过了包括硅光子学在内的其他集成平台。此外，我们对偏振纠缠态进行了量子态层析。实验中观察到纯度为0.901、相干性为0.900、保真度为0.944，直接表明成功生成了高质量的偏振纠缠光子源。这种集成架构实现了紧凑型贝尔态生成，适用于量子光子学的各种应用。
PSR（偏振分离旋转器）是一种根据输入偏振状态引导光的设备[50–52]。如前一节所述，基波TE模式直接通过通过端口，而基波TM模式经过偏振旋转后，以基波TE模式的形式通过交叉端口输出。更具体地说，PSR由两个关键区域组成：一个旋转区域，在该区域中模式的偏振被旋转；一个分裂区域，在该区域中输出被分成通过端口和交叉端口（见补充图S3）。模式的旋转通过模式交叉现象实现。在旋转区域中，基波TM模式与TE10模式发生模式交叉。与基波TE模式不同，基波TM模式在旋转区域中发生偏振变化并转换为TE10模式。通过分支的TE10模式的有效折射率与交叉分支中基波TE模式的有效折射率匹配。因此，基波TM模式在通过旋转区域并转换为TE10模式后，在交叉端口耦合成基波TE模式。旋转区域和分裂区域顶部宽度的确定在补充材料3中进行了进一步讨论。
为了生成偏振纠缠态，我们使用PSR将两个不同的空间模式转换为偏振模式，其中两个输入被插入到通过端口和交叉端口，输出为公共偏振端口。
两个PPLN波导的二次谐波生成
随后，我们对PSR-PPLN设备的通过端口和交叉端口进行了二次谐波生成（SHG）测量，如图3a和3b所示。该实验的目的是研究PSR-PPLN波导中SHG路径如何受到输入泵浦光偏振的影响，并比较不同路径下的SHG光谱。为此，我们使用带透镜的光纤将通信带宽的泵浦源耦合到PSR-PPLN波导的输出端口，实验设置类似于之前用于PSR测量的设置。生成的SHG信号随后通过另一根带透镜的光纤进行收集。为了确保泵浦功率足够，输入泵浦光在耦合到波导之前通过掺铒光纤放大器（EDFA）进行放大。在EDFA后放置一个偏振控制器（PC），以精确调整每条路径的光偏振。最后，在改变输入偏振状态从TE模式到TM模式的过程中，系统地测量SHG特性。
图3 使用PSR和两个PPLN的二次谐波生成实验结果。
a,b. 二次谐波生成的概念示意图，分别针对电信泵浦TE模式和TM模式输入。a. TE模式输入通过PSR以TE模式传输，并在图顶端与PPLN相遇。b. TM模式输入在遇到PSR后改变路径，并转换为TE模式，在图底部与PPLN相遇。c. 实验测得的二次谐波光谱，分别对应TE（蓝色）和TM（红色）模式输入。d,e. 二次谐波生成的光学显微镜图像：d. TE输入泵浦的二次谐波生成。e. TM输入泵浦的二次谐波生成。
尺度条：15 𝜇m。
图3c展示了不同泵浦偏振下的SHG光谱测量结果。对于通过路径，当泵浦处于TE模式时，观察到1555.04 nm的峰值波长。相反，对于交叉路径，在TM模式泵浦输入下，观察到1554.78 nm的峰值波长。两个峰值波长与图2b中参考波导的SHG峰值波长完全一致。峰值波长之间的轻微差异可能是由于制造过程中的小误差，如极化过程中的微小误差，以及TFLN芯片内在厚度变化所致。对应于TE模式泵浦的SHG光谱表现出更高的转换效率。这可以通过从输入波导到交叉端口的转换过程中附加的耦合损耗以及TM模式的较高传播损耗来解释。
片上偏振纠缠态的量子态层析
接下来，我们进行量子态层析（QST），以全面表征在TFLN芯片上生成的光子偏振态。QST的实验装置采用了自由空间布置，如图4a所示。为了在将光子从波导传输到QST装置的过程中保持其偏振态，我们使用了偏振保持光纤。光子对被耦合到自由空间，并通过边缘通光滤波器去除残余的泵浦光。由于光子对占据相同的空间模式，因此使用了一个50:50非偏振光束分离器将光子对分成两个不同的方向。
图4 量子态层析实验结果。
a. 量子态层析实验设置的示意图。PMF：偏振保持光纤，AL：非球面透镜，M：镜子，LPF：长通滤波器，BS：光束分离器，HWP：半波片，QWP：四分之一波片，LP：线性偏振器，SMF：单模光纤。
b,c. 片上光谱亮度作为分析器（HWP）角度的函数：b. 通道1的实验结果。c. 通道2的实验结果。d,e. 单光子量子态层析的实验结果：d. 通道1的实验结果。e. 通道2的实验结果。f. 两光子量子态层析的实验结果。
通过使用安装在电动支架上的四分之一波片（QWP）和半波片（HWP），以及一个垂直偏振的固定线性偏振器，光子的偏振态被投影。然后，投影后的光子被耦合到单模光纤中，并使用通信波长密集分波复用器（DWDM）对其光谱进行过滤，以最小化由波片引起的误差。光子计数使用超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）进行。偏振投影测量包括水平（𝐻）、垂直（𝑉）、对角线（𝐷）、反对角线（𝐴）、右旋圆偏振（𝑅）和左旋圆偏振（𝐿）基。
图4b和4c分别展示了实验测得的片上光谱亮度在通道1和通道2中的分析器角度（半波片旋转角度）函数关系。在每次测量过程中，另一个通道的分析器角度固定为垂直偏振。每个旋转角度下的测量重复进行30次，曝光时间为100毫秒，误差条表示这些重复测量的标准偏差。基于单通道计数和200 ps的重合窗口，扣除了偶然重合计数。为了比较，还包括了基于理论预测的光谱亮度 𝑃(𝜃) = 𝐴cos²(2𝜃 − 𝜃₀) + 𝐵 的正弦拟合。在这里，𝐴、𝐵 和 𝜃₀ 分别表示亮度幅度、基线偏移和测量基准偏移。在两个面板中，实验测得的片上光谱亮度与正弦拟合结果良好吻合，并且以高对比度进行振荡，其中计算的可见度分别为98.33%±0.77%和97.36%±0.82%。这表明这两个光子在偏振态上是强烈纠缠的。
我们进一步通过量子态层析（QST）进行密度矩阵重建，基于在36个基准下测量的单光子计数和重合计数[53, 54]，来研究量子态。曝光时间为500毫秒，重合窗口为200皮秒，偶然计数也被相应扣除。QST测量重复进行30次，以确定质量指标的平均值和不确定性。图4d和4e分别展示了通道1和通道2中单光子态的重建密度矩阵。计算得到的纯度为0.514和0.510，表明这两个单光子态是混合态。
图4f展示了通过两光子QST重建结果得到的两光子态的密度矩阵，显示出高纯度为0.901±0.012。此外，0.900±0.012的相干性确认了光子对在其偏振态上是纠缠的。计算得到的保真度为0.944 ± 0.007，考虑了在单光子层析中观察到的𝐻和𝑉偏振态之间的效率差异，以及通过保真度最大化确定的局部相位变化。观察到的𝐻和𝑉偏振态之间的轻微差异是由若干实际因素造成的，包括PPLN波导的非线性效率、PSR的耦合效率、波导中TE和TM模式之间的传播损耗差异，以及TE和TM模式之间的端面与透镜PM光纤的耦合损耗差异。尽管存在这些小的实验挑战，但偏振纠缠光子对得到了明确的证明。此外，为了完全描述生成的态，还计算了归一化比率𝜂 = 0.444和相对相位差2𝜙 = 0.867 rad。
讨论与展望
在本研究中，我们成功地展示了一种基于TFLN芯片的紧凑型、高质量且明亮的偏振纠缠贝尔态光子源。通过集成多模干涉器（MMI）、两个独立的PPLN和偏振分离旋转器（PSR），我们在实验中实现了具有卓越量子态特性的偏振纠缠光子对。值得注意的是，我们的设备使用单个连续波（CW）激光在低功率下运行，但在所有纠缠质量指标上都表现出强劲的性能，包括0.900的相干性、0.944的保真度以及0.901的高纯度。此外，我们的PPLN器件实现了高亮度，片上光子对生成速率为508.5 MHz/mW，显著超越了基于硅的集成光子平台。
与之前报道的基于TFLN的时间槽纠缠光子源（采用单个PPLN波导并依赖于脉冲泵浦激光）[48]相比，我们的方法不仅简化了泵浦激光的要求，而且在相干性和保真度方面展示了更优的量子性能。值得注意的是，尽管使用了两个不同的PPLN波导，这本身对光子不可区分性提出了更严格的要求，但我们仍然达到了如此高的性能。这一结果不仅突出了偏振纠缠的内在简便性和稳健性，还间接表明了我们架构的可扩展性。
此外，针对基于硅的片上贝尔态源，这些源依赖于自发四波混频（SFWM），并且启发了我们的设备配置，我们的TFLN设计提供了更亮的SPDC光子对生成、更强的单泵浦光子对生成以及泵浦光子与生成光子之间更大的光谱分离[25, 28]。此外，TFLN平台的强电光能力为生成的量子态的动态调制和多路复用技术的实现铺平了道路[55, 56]。
我们当前的设备配置为通过进一步集成组件实现更高质量的纠缠提供了有希望的途径。特别是，可变光衰减器（VOA）的实现可以允许精细调节TE和TM偏振路径的光子对生成效率，从而提高生成态的相干性和纯度[48]。此外，集成电光或热光相位移器将有助于精确控制和细致调整TE和TM光子对之间的相对相位差。结合主动反馈和补偿组件，包括VOA和相位移器，可能是提升设备功能的有前景的候选方案，特别是在设备稳定性和操作鲁棒性方面。电光调谐的波导相位控制器、自适应偏振跟踪和实时量子态监控将使得能够动态修正由环境干扰引起的偏振漂移和波动[55]。
尽管已经成功演示，但实验结果也表明在进一步提高性能方面仍有空间，特别是在偏振串扰和消光比方面。剩余的偏振串扰主要是由波导几何形状的制造不完美，尤其是PSR的制造缺陷所引起的。这可以被视为实现更高相干性和纯度值的限制因素。
展望未来，TFLN集成光子平台在偏振纠缠之外展现了令人信服的潜力，向多维量子态编码和混合纠缠方案拓展。利用TFLN平台，未来的发展可能集中在量子态工程中，涉及偏振、空间、时间和频率槽的组合维度。通过利用这些更高维度的编码策略，研究人员可以在量子系统中解锁指数级的可扩展性和多功能性，显著推动量子通信、高容量量子网络和多功能量子传感的发展。此外，探索非简并频率的情况可能进一步扩展我们平台在波长复用的量子网络中的适用性[28]。总之，我们的工作强调了可扩展集成量子光子学的基础组件。我们期望我们的设备能够成为量子技术中的有前景平台，推动实际量子信息处理和应用的进展。
方法
设备设计与制造
有效模式折射率通过商用软件COMSOL Multiphysics采用有限元法进行模拟。PSR的设计采用商用软件Ansys Lumerical MODE进行本征模式展开。
设备制造涉及两个主要步骤，首先是在波导制造前进行铁电域反转。在清洁厚度为300 nm的TFLN后，使用2000 RPM的旋涂方法沉积聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）950 A5。为了缓解电子束光刻过程中的充电效应，在光刻胶上方再旋涂一层e-spacer层。随后，使用电子束光刻（JEOL，JBX-9300FS）写入极化电极图案。在使用去离子水和异丙醇混合液进行显影后，通过电子束蒸发器沉积100 nm厚的铬（Cr）层，并使用丙酮进行剥离。为了创建准相位匹配的周期性域反转，通过施加高压电脉冲在图案化的电极上。周期极化后，使用铬腐蚀剂去除Cr电极，保留对准标记。周期极化过程的示意流程见补充图S4。
接下来的制造步骤是波导图案化。使用2000 RPM的旋涂方法沉积氢硅烷（HSQ）光刻胶，同样应用e-spacer层。波导图案通过相同的电子束光刻系统定义。通过AZ300MIF显影液显影HSQ光刻胶后，使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）和氩离子刻蚀波导图案。接下来，使用BOE去除剩余的光刻胶，并用KOH溶液清洗。随后，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积SiO2包层。最后，进行退火处理。整个制造过程见补充图S5。
设备测量
对于二次谐波生成实验，使用一台可调谐连续波通信带宽激光器（Santec，TSL-710）作为泵浦激光器，其输出通过掺铒光纤放大器（Pritel）进行放大。输入泵浦的偏振通过使用偏振保持光纤线性偏振器（Thorlabs，ILP1550PM-APC）和配备半波片（Thorlabs，FBR-AH3）的偏振保持光纤平台进行控制，以实现所需的线性偏振旋转。横电（TE）和横磁（TM）偏振通过偏振控制器施加。偏振控制器确保为高效非线性交互提供最佳偏振。使用偏振保持透镜光纤（OZ Optics），工作波长为1550 nm，并安装在光纤旋转器（Thorlabs，HFR007）上，将光耦合到TFLN波导中。偏振保持光纤的双折射轴通过自由空间线性偏振器和参考1550 nm激光器进行对准。相比之下，单模透镜光纤（OZ Optics），工作波长为1550 nm，用于将光耦合出TFLN波导。我们使用Si光电探测器测量了SHG信号强度。
对于量子态层析实验，使用一台可调谐近红外连续波（CW）激光器（New Focus，TLB-6712）作为泵浦源。泵浦功率通过光纤基可调光衰减器（Thorlabs，VOA780-APC）进行调节。偏振管理通过光纤平台和光纤平台偏振光学组件（Thorlabs，FBR-AQ2，FBR-AH2）进行。使用单模透镜光纤（OZ Optics），工作波长为775 nm，将泵浦源耦合到芯片中，而输出光则耦合到偏振保持透镜光纤（OZ Optics）。生成的光子通过非球面透镜（Thorlabs，A280TM-C）收集并耦合到自由空间。使用三级长通滤波器（Thorlabs，FELH1050）去除残余泵浦光。光子对通过50:50非偏振光束分离器（Thorlabs，BS014）进行分离。偏振态投影使用半波片（Thorlabs，WPH05M-1550）、四分之一波片（Thorlabs，WPQ05M-1550），这些都安装在电动旋转平台（Thorlabs，PRM1/MZ8）上，以及线性偏振器（Thorlabs，LPNIRF050-MP2）进行。投影后的光子通过非球面透镜（Thorlabs，A280TM-C）耦合到单模光纤中。接下来，使用密集波长分波复用器（OZ Optics）对光子的光谱进行过滤。光子通过偏振控制器转移到超导纳米线单光子探测器。检测信号通过时间相关单光子计数模块（Qutools，QuTag-MC）记录。通过最大似然估计法从测量数据中重建密度矩阵。
关于我们：
OMeda成立于2021年，由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺，项目人员创立。目前拥有员工15人，在微纳加工（涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合）等领域拥有丰富的经验。 同时，我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。
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来源：OMeda
OMeda（上海奥麦达微）成立于2021年，由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺，项目人员创立。在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合，键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时，我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学，激光器，光子集成电路，Micro LED,功率器件等行业。
