Efficient photon-pair generation empowered by dual quasibound states in the continuum

对偶(语法数字) 物理 光子 量子力学 语言学 哲学
作者
Tingting Liu,Meibao Qin,Siqi Feng,Xinhui Tu,Tianjing Guo,Feng Wu,Shuyuan Xiao
出处
期刊:Physical review 卷期号:109 (15)
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.155424
摘要

Here we demonstrate the efficient photon-pair generation via spontaneous parametric down conversion from a semiconductor metasurface supporting dual quasibound states in the continuum (quasi-BICs). In a simple metasurface composed of AlGaAs elliptical nanocyclinders, the two high-$Q$ quasi-BIC resonances that coincide with the generated signal and idler frequencies significantly boost the local electric field. This leads to a substantial enhancement in the reverse classical nonlinear process of sum-frequency generation and subsequently the remarkably high generation rate of photon pairs under the quantum-classical correspondence principle. Within a narrowband wavelength regime around the quasi-BIC resonances, the rate of pair production is enhanced up to $\ensuremath{\sim}{10}^{4}$ Hz, two orders of magnitude larger than that in the Mie resonant AlGaAs nanoantennas. Moreover, the photon pair emission is mainly concentrated in the normal direction with respect to the metasurface, and shows a tunable rate with the $Q$ factor by engineering the rotation angle of nanocylinders. The presented work enables nanoscale sources of high-quality entangled photons which will find applications in advanced quantum imaging and communications.
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