Кремний нашел применение в генераторе фотонных пар

Оптические приемо-передатчики революционизировали цифровые коммуникации, но в них используются лазеры на основе сложных полупроводников, более дорогостоящих в производстве, чем кремний.

Общеизвестно, что кремний плохо излучает свет — несмотря на десятилетия исследований до сих пор так и не было создано лазерного диода на его основе. Однако, для генерирования пар фотонов с перепутанными квантовыми свойствами, кремний оказался вполне подходящим материалом. Подобный кремниевый чип-генератор фотонных пар недавно продемонстрировали сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego). Свойства нового квантово-оптического устройства описаны ими в онлайновом журнале Nature Communications.

На каждую поглощенную чипом пару фотонов входящего лазерного луча генерируется другая пара с немного различающимися частотами — одна выше входящей, другая ниже, так что общая энергия сохраняется. Для увеличения количества получающихся в процессе спонтанного нелинейного оптического смешивания (Spontaneous Optical Nonlinear Mixing, SONM) перепутанных фотонных пар, в кремнии литографическим методом создается структура волноводов и микрорезонаторов с характерными размерами менее 1 мкм, усиливающая оптическую интенсивность на определенных длинах волн.

Сам чип имеет габариты всего несколько миллиметров и нуждается для работы в простом маломощном лазерном диоде, используемом в оптических коммуникациях, и фильтрах для отделения двух «дочерних» фотонов от основного луча.

Исследователи из UC San Diego показали, что определенный тип кремниевой структуры позволяет изменять квантовомеханические свойства фотонной пары, варьируя условия эксперимента.

«Например, изменяя температуру чипа всего на несколько градусов, мы можем увеличить степень переплетения более чем втрое по шкале Шмидта, — сообщает Ранжит Кумар (Ranjeet Kumar), первый автор статьи. — Наше устройство может настраиваться в широком диапазоне значений параметра Шмидта, в отличие от других источников фотонных пар, которые в лучшем случае требуют для этого сложного дополнительного оборудования — обычно в тысячи раз превосходящего по габаритам наш чип».

Ученые предполагают, что их микросхему можно будет применять в составе более сложного модуля «квантового трансивера» интегрированную с чувствительным детектором фотонов.