Quantum Review Letters

量子网络中的光源、传输信道、探测器和量子存储器往往各自在不同波段表现最佳，因此不同器件之间需要一个既能改变光子频率、又尽量不破坏量子信息的接口。2μm波段尤其具有吸引力：更长波长有利于降低自由空间传播损耗和日光背景影响，同时与多种气体、分子的振转吸收指纹重叠，适合远距离量子通信和分子传感。然而，成熟的高性能单光子探测与部分量子存储平台更多集中在可见光或近红外波段，直接工作于2μm的器件选择有限。量子频率转换由此承担“波长翻译器”的角色。对于二阶非线性介质，泵浦光与2μm信号光可通过和频过程满足ωQFC=ωp＋ωs，将长波光子上转换到可见波段。真正困难的是同时获得较高转换效率、较低泵浦功率和可控附加噪声，因为强泵浦虽然提升转换概率，也会激发拉曼散射、寄生非线性等背景。薄膜铌酸锂兼具较强χ(2)非线性、强模场约束和可周期极化的优势，为把这一频率接口压缩到芯片上提供了合适平台。

研究进展

南京大学顾子硕等在Quantum Review Letters发表论文“On-chip quantum frequency conversion of 2μm photon in thin-film lithium niobate waveguide”。研究在畴工程薄膜铌酸锂平台上构造周期极化脊形波导，通过准相位匹配实现2μm光子向可见波段的片上和频转换。波导采用600nm薄膜厚度、300nm刻蚀深度和2μm顶部宽度，以增强三束光在亚微米截面内的空间重叠；周期反转的铁电畴补偿传播常数失配，使非线性转换沿波导持续相干累积。实验中，泵浦光与衰减后的2μm信号光分别完成偏振调节，经二色镜合束并耦合进入周期极化薄膜铌酸锂波导；输出端再通过滤光片、光栅和狭缝抑制残余泵浦及非目标光，最后由单光子雪崩二极管计数。转换效率随片上泵浦功率呈饱和型上升，拟合得到最高内部量子转换效率42%，对应泵浦饱和功率仅58mW。与此同时，噪声计数率随泵浦功率明显增加，在约60mW附近达到数百千赫兹量级。结果表明，器件已经建立了2μm与可见波段之间的低功率片上接口，但最佳工作点不能只看效率峰值，还必须综合系统耦合损耗、滤波带宽和泵浦诱导噪声。

研究亮点

1. 首次把2 μm光子片上转换到可见波段：研究在畴工程薄膜铌酸锂波导上实现这一跨波段接口，为2μm自由空间通信、分子传感与成熟可见光量子器件之间建立连接。

2. 以低泵浦功率获得42%内部效率：器件在约58mW片上泵浦功率下达到最高42%的内部量子转换效率，显示强模场约束、周期极化质量和相干作用长度共同降低了驱动门槛。

3. 把效率与噪声放在同一张图中评估：泵浦增强时转换效率逐步饱和，而噪声计数率持续上升；这使工作点优化从单纯“追求最高效率”转变为效率、信噪比和探测带宽之间的权衡。

4. 给出可制造的周期极化方案：600nm薄膜、300nm刻蚀深度和2μm顶部宽度强化模式重叠，配合分段高压极化脉冲形成规则反转畴，为低功率准相位匹配转换提供器件基础。

图文导读

论文图形摘要概括了器件的基本作用：2μm信号光与较强泵浦光同时进入周期极化薄膜铌酸锂波导，二阶非线性和频过程将二者的频率相加，在输出端产生更高频率的量子频率转换光。周期交替的铁电畴并非装饰结构，而是用来周期性翻转非线性系数，以补偿三束光在波导中的相位失配；只有各段产生的和频场保持同相叠加，转换概率才能随传播距离有效积累。图中信号光、泵浦光和红色输出光分别对应输入量子通道、经典驱动与上转换通道，构成全文最核心的能量与相位匹配关系。

图1：论文图形摘要（论文原图）。2μm信号光与泵浦光在周期极化薄膜铌酸锂波导中通过和频过程产生可见波段QFC输出。

周期极化质量直接决定准相位匹配效率。论文给出的电压脉冲先在约1ms内升至500V并短暂保持，随后降至约90V，在较长时间内维持，最后于20ms附近回到0。高压阶段用于触发铁电畴反转，较低的维持电压则帮助畴继续生长并减小过度扩展。与单一方波相比，这种分段脉冲把“成核”和“生长”分开控制，有利于形成更均匀的周期反转结构。对于长波导，局部畴宽或占空比的偏差会不断累积为相位误差，因此极化工艺与波导几何同样是降低饱和泵浦功率的关键。

图2：周期极化电压脉冲（论文原图）。电压先升至约500V，随后以约90V维持，最后回落至0。

实验光路将泵浦和2μm信号分成两条输入支路。两路光先经过准直、半波片和四分之一波片调节偏振；信号支路利用中性密度滤光片衰减到弱光计数条件，并由偏振器清理偏振。二色镜把两路光合束后，经透镜耦合进入周期极化薄膜铌酸锂波导。输出端依次采用透镜、滤光片、光栅和狭缝进行空间与光谱选择，再耦合至单光子雪崩二极管。该链路说明，片上非线性转换只是系统中间环节：输入耦合、残余泵浦抑制、输出收集和探测效率都会影响最终可用的计数率与信噪比。

图3：量子频率转换实验装置（论文原图）。泵浦和信号合束进入PPTFLN波导，输出经滤波、色散和狭缝选择后由SPAD计数。

转换效率随片上泵浦功率从0快速上升，测量点在约40-60mW区间进入平台，拟合最高内部效率约42%，泵浦饱和功率约58mW。曲线的饱和形态符合相干三波混频的sin²型功率依赖，而不是无限线性增长。右轴蓝色柱表示噪声计数率：泵浦功率升高时，噪声由低功率区的较低水平持续增至60mW附近约450kHz。由此可见，继续增加泵浦对效率的边际收益已经很小，却会进一步抬高背景。对于实际量子接口，平台区之前或附近的某个功率点可能比名义最高效率点更有利于获得较高信噪比。

图4：转换效率与噪声随泵浦功率变化（论文原图）。圆点为效率测量值，红线为拟合，蓝柱为噪声计数率。

器件局部图显示，泵浦与信号在二色镜处合束，经透镜聚焦到周期极化薄膜铌酸锂脊形波导，和频光再由输出透镜收集。600nm薄膜厚度、300nm刻蚀深度和2μm顶部宽度增强了三种波长模式的横向约束和空间重叠，周期畴则沿传播方向提供准相位匹配。需要注意，论文报告的42%是内部量子转换效率，主要描述进入波导后的光子转换过程，并不等同于“从输入光纤到探测器”的端到端概率。若要进一步服务量子网络，还需要降低耦合与滤波损耗，并直接检验转换前后的二阶关联、单光子纯度或纠缠保真度，以证明频率迁移同时保持量子态质量。

图5：PPTFLN波导耦合区（论文原图局部）。二色镜完成合束，透镜负责输入耦合与上转换光收集。

原文信息

On-chip quantum frequency conversion of 2μm photon in thin-film lithium niobate waveguide

Zishuo Gu, Chenyu Wang, Mengwen Chen, Zikang Wang, Hua-Ying Liu, Xiao-Hui Tian, Kunpeng Jia, Yong Zhang, Shi-Ning Zhu, Zhenda Xie

Quantum Review Letters, Volume 2, Pages 28-34, 2026

DOI: https://doi.org/10.1016/j.qrl.2026.01.002

文章来源于微信公众号QuanRevLett KeAi