SPDC ist eine etablierte Technik zur nichtklassischen Lichterzeugung. Dazu zählen z.B. einzelne Photonen - kleinste Lichtteilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht. Bei der SPDC zerfällt ein Photon aus einem starken Laserstrahl (dem Pumpstrahl) beim Durchlaufen eines nichtlinearen Kristalls in zwei Tochterphotonen. So können Paare von Einzelphotonen erzeugt werden. Dieser Prozess wird normalerweise bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen durchgeführt. Unsere SPDC-Quelle hingegen wird in einem Kryostaten auf wenige Kelvin heruntergekühlt (auf etwa – 269°C), um die Leistung zu untersuchen. Bei so geringen Temperaturen spricht man vom kryogenen Temperaturbereich, weshalb es sich bei uns um eine kryogene SPDC-Quelle handelt. Wir zeigen, dass unsere Quelle dabei voll funktionsfähig bleibt und wir gute Kontrolle über das Design haben.

Unsere Materialplattform sind selbst hergestellte, periodisch gepolte, Titan-eindiffundierte Lithiumniobat-Lichtwellenleiter. Die Wellenleiter ermöglichen das Leiten von Licht durch einen optischen Kristall (dies ist vergleichbar mit den Leiterbahnen auf einer Platine, durch welche Strom geleitet wird). Es handelt sich um einen quasi-phasenangepassten Typ-II-Prozess. Die erzeugten Photonen sind dabei senkrecht zueinander polarisiert, weshalb sie sich mit einem Polarisationsstrahlteiler trennen lassen. Eins der Tochterphotonen landet in einem Strahlengang, das zweite Photon im anderen Strahlengang.

Die Eigenschaften der Tochterphotonen, z.B. ihre zentralen Wellenlängen, hängen vom Pumpstrahl und von der sogenannten Phasenanpassung ab. Diese beiden Bedingungen ergeben sich durch Energie- und Impulserhaltung. Letztere wird durch die Polungsperiode bestimmt, ein Parameter, der bei der Herstellung unserer Wellenleiter festgelegt wird. Um die erforderliche Periode zu bestimmen, benötigen wir also ein präzises Modell, das unser System beschreibt. Wir haben festgestellt, dass sich bei Änderung der Temperatur besonders die Brechungsindizes unserer Wellenleiter verändern, was zu einer Verschiebung der Phasenanpassung führt. Leider gibt es keine genauen Daten für die kryogenen Brechungsindizes, daher haben wir diese Verschiebung zunächst durch Messung der SHG-Wellenlänge (Second Harmonic Generation) während eines Kühlvorgangs untersucht. Beim SHG-Prozess werden zwei Photonen aus einem Strahl zu einem neuen Photon. Es gelten die gleichen Energie- und Impulserhaltungssätze. Daher ermöglichte uns diese Messung, unser ursprüngliches Modell abzuändern. Demzufolge hätten wir eine geringere Verschiebung erwartet, als wir im Experiment beobachten konnten. Mit unserem korrigierten Modell können wir die temperaturabhängigen Wellenlängen der SPDC-Photonen nun sehr gut beschreiben.

Wir messen die gemeinsame spektrale Intensität (Joint Spectral Intensity, JSI) der beiden Photonen. Diese ist vergleichbar mit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung, welche Wellenlängen beim SPDC-Prozess entstehen können. Unsere Messung zeigt, dass beide Photonen (Signal und Idler genannt) um die Wellenlänge zentriert sind, die wir auch für das SHG-Spektrum beobachtet haben. Außerdem zeigt sie, dass es eine spektrale Korrelation zwischen den Photonen unserer Quelle gibt, erkennbar durch die elliptische Form der JSI.

Zusätzlich zu den spektralen Eigenschaften haben wir die Helligkeit der Quelle, die Klyshko-Effizienz und die Autokorrelationsfunktion bei kryogenen Temperaturen charakterisiert, um die Erzeugung von Einzelphotonen nachzuweisen (mehr Details dazu in unseren Veröffentlichungen).