Ansys Lumerical | 自发参量下变频 （SPDC） 光子源
本文摘要：（由ai生成）
本文介绍了利用Lumerical的MODE和qINTERCONNECT软件对I型自发参量下变频(SPDC)过程进行建模的方法。通过计算非线性模式重叠、色散曲线拟合，得出光子对生成速率和双光子波函数，再将其作为输入进行量子光学仿真。结果展示了检测光子的成功概率，体现了电磁仿真与量子光学仿真结合在研究单光子源和量子通信网络中的重要应用。
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此示例演示了如何对真实的光子源进行建模，并将其用作 qINTERCONNECT 的输入。用直波导中一个长度为L且具有χ ( 2 ) 非线性的局部区域计算I型SPDC过程的光子产生速率和波函数，其中泵浦光子被转换为信号和闲置光子对，从而满足能量守恒和相位匹配条件。对于相同和不相同的光源，证明了来自两个独立源的光子之间的干涉。
概述
本例中的仿真是使用 MODE 和 qINTERCONNECT 求解器执行的。模拟在 MODE 中通过 Lumerical 脚本文件进行设置和运行。接下来，运行 python 脚本以生成用作 qINTERCONNECT 输入的状态。然后，qINTERCONNECT 仿真通过 Python API 运行，可以直接在 INTERCONNECT 中运行，也可以在外部 Python 环境中运行。由于 qINTERCONNECT 需要 INTERCONNECT GUI 许可证才能运行，因此至少需要两个 GUI 许可证才能直接从 INTERCONNECT 环境运行 qINTERCONNECT。
自发参量下变频是一种非线性光学过程，其中泵浦频率的光子被转换为一对光子，标记为信号光子和闲置光子，从而实现能量守恒并满足相位匹配条件。在I型SPDC中，信号光子和闲置光子具有相同的偏振，这与泵浦偏振正交。信号光子和闲置光子之间的光谱相关性由双光子波函数描述，这限制了单光子源的不可区分性。
一旦产生双光子波函数，它就可以用作qINTERCONNECT中电路的输入。例如，可以使用滴环滤光片将两个光子与光源分开。
第 1 步：非线性模式重叠和色散曲线拟合
第一步是计算有效的非线性模态重叠面积，这决定了非线性相互作用的强度。然后，泵浦光/信号光和闲置光的色散曲线，然后进行二次拟合。
第 2 步：对生成速率和双光子波函数
根据有效非线性模式重叠面积和上一步的二次拟合参数计算了描述光源的光子对生成速率和双光子波函数。
第 3 步：qINTERCONNECT 仿真
双光子波函数用作qINTERCONNECT仿真的输入。
运行和结果
第 1 步：非线性模式重叠和色散曲线拟合
在 MODE 环境中打开并运行脚本 run_mode_calcs.lsf。
脚本 run_mode_calcs.lsf 加载布局文件并执行扫描以计算反向有效耦合面积 [1]，
这与自发参数下变频中涉及的模式重叠成正比。此信息将保存到文本文档 inv_A_mat.txt 。接下来，对泵浦光/信号光和闲置光进行扫描以产生色散曲线，如下图所示。
然后对色散曲线进行二次拟合，并将系数保存为fit_params.txt。
第 2 步：对生成速率和双光子波函数
在 MODE 环境中打开并运行脚本generate_biphoton_wavefunction.py。
在此步骤中，使用上一步中的参数计算光子对生成速率和双光子波函数。图中显示了用户定义的泵包络函数，以及根据源几何形状确定的相位匹配功能。这些的乘积是双光子波函数，如下图所示。最后，还显示了频率离散化的双光子波函数，该波函数可用作qINTERCONNECT中电路的输入，如下一步所示。
第 3 步：qINTERCONNECT 仿真
在 MODE 环境中打开并运行脚本simulate_biphoton_wavefunction.py。
双光子波函数用于生成一个 ket 矢量，该矢量以离散频率 Fock 为基础描述发射光子的状态。然后，将ket矢量用作qINTERCONNECT中下环滤波器的输入。运行 python 脚本将执行模拟并显示以下窗口，显示从环的下降端口检测一个或两个光子的成功概率。
