集成微谐振器中利用四波混频实现光子模式的量子频率转换与强耦合

近期已在氮化硅微环谐振器中实现了单光子级别的量子频率转换。此类系统提供的共振增强效应，能够在亚瓦特泵浦功率下实现宽频率范围内光量子态的高效转换。我们采用量子力学哈密顿形式，对这些系统中的转换动力学进行了详细的理论分析，并证明它们能够转换单光子和多光子量子态。推导出了转换效率、光谱转换概率密度和泵浦功率需求的解析公式，这些公式与先前的理论和实验结果吻合良好。研究表明，仅需对现有技术水平进行适度改进，即可在低于 100 mW 的泵浦功率下实现超过 95% 的效率。在达到最大转换效率的临界驱动强度下，光谱转换概率密度呈现出平顶峰，表明对单光子输入光谱存在一定范围的不敏感性。我们提出了两种替代理论方法来研究转换动力学：一种是修饰态方法，能更直观地理解转换过程；另一种是对谐振器中参与模式的时域动力学研究，揭示了单光子在两个不同频率模式之间进行类拉比相干振荡的机制。这种振荡机制源于相干泵浦所介导的不同频率模式之间的强耦合。