Towards non-classical sources

QC 20250422

Abstract

Denna avhandling undersöker motpropagerande spontan parametrisk nedkonversion (CPSPDC) i III-V halvledarvågledare, där fotonpar emitterasi motsatta riktningar. Dessa okonventionella geometrier medför förbättrad spektral renhet, ökad separation mellan fotonpar och förlängda koherenstider, om än till priset av en avsevärt större fasmissanpassning som måste kompenseras. Vi demonstrerar CPSPDC i periodiskt polerad KTP med en uppmätt effektivitet på 10⁻¹⁰ par per pumpfoton, verifierad genom Hong-Ou-Mandel-interferens med hög synlighet. Den nödvändiga poleringsperioden för att kvasi-fasanpassa CPSPDC-interaktionen är 433 nm, i kontrast till den 10,15 μm långa period som krävs för att fasanpassa den motsvarande medpropagerande SPDC-interaktionen. Vi uppvisar emellertid linjebredderpå 0,34 nm, en storleksordning smalare än de 3,5 nm som den medpropagerandekristallen uppvisar.

Med detta som grund går vi vidare mot realiseringen av en icke-linjärplattform baserad på Ga_0.51In_0.49P överförd till SiO₂, vilket möjliggör utforskning av icke-linjära processer av andra ordningen i vågledare med undervåglängdsdimensioner. Ytinducerad andra-harmonisk generering (SHG) används både som ett diagnostiskt verktyg för gränssnittskvalitet och som en mekanism för att nå polarisationslägen som är otillgängliga genom bulkicke-linjäriteter. Dessa framsteg möjliggjorde realiseringen av ultratunna vågledare lämpade för generering av tvillingfotoner i omvänd konstruerade system. Konvertering av SHG mellan fundamentalmod från 1420 nm till1520 nm demonstreras i 100 nm tjocka vågledare, där bandbredden anpassas genom ingenjörsmässig utformning av vågledartjockleken.

Den centrala prestationen är den experimentella realiseringen av CPSPDCmed utifrånliggande pumpning i subvåglängds Ga_0.51In_0.49P-vågledare. Vi demonstrerar genereringshastigheter av fotonpar på omkring 200 par/s/mWi 1 mm långa vågledare, något lägre än de 313 par/s/mW som uppvisats i PPKTP, men med en fotavtryck som är en miljon gånger mindre och linjebredder under 0,3 nm. Arbetets kärna är demonstrationen av full individuell kontroll över de genererade fotonparens våglängder samt bredbandigfunktion genom finjustering av vågledarens tvärsnitt och pumpens infallsvinkel. För att illustrera den spektrala justerbarhetens omfattning implementerar vi en 250 nm tjock Ga_0.51In_0.49P-vågledare för att genereraCPSPDC-fotonpar med 250 nm spektral separation—den ena vid 1550 nmoch den andra vid 1300 nm—motsvarande de våglängder där optiska fibreruppvisar minimal förlust respektive dispersion. Vidare ökar vi den spektrala separationen med ytterligare 80 nm genom att luta pumpen med 5". Degenererad CPSPDC, som utgör en motpropagerande tvillingfotonskälla justerbar över det optiska kommunikationsbandet, uppnås genom att kompensera momentummissanpassningen via pumpens lutning, vilket demonstrerar ett nytt fasanpassningssätt och skift mot degenerering som överstiger 601 nm.

För att övervinna fasanpassningsbegränsningarna hos traditionella geometrier introducerar och tillverkar vi strukturer med både amplitud- och fasanpassning (APMS), vilka kräver exakt kontroll över den kristallografiska orienteringen inom III-V-vågledaren. Teoretiska effektivitetshöjningar på mer än 13 storleksordningar under ideala förhållanden demonstreras. Möjligheten till domäninvertering i Ga_0.51In_0.49P via självbondning av naturligaoxider har experimentellt bekräftats. Dessa resultat etablerar IIIV-halvledarvågledare inte bara som kompakta och effektiva källor till ickeklassiskt ljus, utan också som en mångsidig plattform redo att forma nästa generation av justerbara, integrerade kvantfotoniska system.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-362605