[論文レビュー] Characterization of an asynchronous source of heralded single photons generated at a wavelength of 1550 nm

Maria Tengner, Daniel Ljunggren|ArXiv.org|Jun 20, 2007

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、周期的ポーラリティを有するKTiOPO4結晶を用いた自己相反性パラメトリックダウンコンersion（SPDC）を用いて、1550 nmの非同期ヘルド単一光子源の詳細な特性評価を提示する。検出器のゲート周期、光子生成レート、ファイバー結合効率を分析することで、著者らは$ g^{(2)}(0) = 0.0235 \pm 0.0005 $という非常に低い値を示し、多重光子イベントの強力な抑制を示し、ファイバーモードにおける単一光子のヘルド効率が48%に達することを実証した。

ABSTRACT

We make a thorough analysis of heralded single photon sources regarding how factors such as the detector gate-period, the photon rates, the fiber coupling efficiencies, and the system losses affect the performance of the source. In the course of this we give a detailed description of how to determine fiber coupling efficiencies from experimentally measurable quantities. We show that asynchronous sources perform, under most conditions, better than synchronous sources with respect to multiphoton events, but only for nearly perfect coupling efficiencies. We apply the theory to an asynchronous source of heralded single photons based on spontaneous parametric downconversion in a periodically poled, bulk, KTiOPO4 crystal. The source generates light with highly non-degenerate wavelengths of 810 nm and 1550 nm, where the 810 nm photons are used to announce the presence of the 1550 nm photons inside a single-mode optical fiber. For our setup we find the probability of having a 1550 nm photon present in the single-mode fiber, as announced by the 810 nm photon, to be 48%. The probability of multiphoton events is strongly suppressed compared to a Poissonian light source, giving highly sub-Poisson photon statistics.

研究の動機と目的

• 非同期ヘルド単一光子源（HSPS）の性能を、光子レート、結合効率、システム損失の観点から包括的に実験的に評価するための手法の開発。
• 検出可能な物理量（検出光子レート、検出器効率、ダークカウントなど）から、ファイバー結合効率を特定する方法の確立。
• 非同期（CWポンプ）と同期（パルスポンプ）HSPSの間における、多重光子抑制および光子統計の性能を比較すること。
• 検出器ゲート周期およびヘルドレートが、特に$ g^{(2)}(0) $に与える影響を定量化すること。
• 非理想な結合効率を含む現実的な実験条件下での光子統計の理論モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 著者らは、実験的に測定可能なパラメータ（検出光子レート、検出器効率、ダークカウント、ゲート周期）と、HSPSにおける真の光子レートおよび結合効率を結びつける理論的枠組みを導出する。
• 条件付き同時計数測定と検出器応答関数を用いて、単一光子およびペアの結合効率（$ \gamma_s $, $ \gamma_i $, $ \gamma_c $）を抽出する手法を提案する。
• 2次自己相関関数$ g^{(2)}(0) $を計算および測定し、光子統計を評価する。検出器効率およびシステム損失を補正した上で行う。
• 理論的曲線として、$ b_0 = \Delta t_{\text{gate}} R_0 $を変数として、理想（完全結合）と非理想（現実的）な状況の両方における$ g^{(2)}(0) $の関数を導出する。
• 実験データは、周期的ポーラリティを有するKTiOPO4結晶を用いたCWポンプSPDC光源を用いて収集され、810 nm光子が1550 nm光子をヘルドする単一モードファイバー内での測定が行われた。
• 相関した光子発生を考慮し、測定された条件付き同時計数を用いて、単一光子の存在確率および多重光子イベントの確率を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出器ゲート周期、光子レート、ファイバー結合効率が、非同期ヘルド単一光子源の性能にどのように統合的に影響を与えるか。
• RQ2 HSPSにおいて、実験的に測定可能な量（光子レート、検出器効率、ダークカウントなど）から、ファイバー結合効率を抽出する最も正確な方法は何か。
• RQ3 非同期HSPS（CWポンプ）の光子統計は、同期HSPS（パルスポンプ）と比較して、多重光子抑制の観点でどの程度優れているか。
• RQ4 非理想な結合効率が、非同期（ポisson的）光源と同期（熱的）光源の間の利点をどの程度損なうか。
• RQ5 損失および検出器の不完全性を考慮した場合、$ g^{(2)}(0) $はHSPSの性能を信頼できる指標として用いることができるか。

主な発見

• ヘルド単一光子源は、810 nm光子が1550 nm光子の存在をアナウンスする際、ファイバー内に1550 nm光子が存在する確率が48%に達した。これは、条件付き同時計数率$ \mu_{\text{i}|\text{s}} = 48\% $に対応する。
• 2次自己相関関数は$ g^{(2)}(0) = 0.0235 \pm 0.0005 $として測定され、非常に非ポisson的統計と多重光子イベントの強力な抑制を示した。
• 1つのゲート内に正確に1つのヘルド光子が存在する確率は$ P(1) = 0.483 \pm 0.003 $であり、2つ以上の光子が存在する確率はわずかに$ P_{m \geq 2} = 0.0028 \pm 0.00002 $であった。
• 理論的モデリングにより、非同期（CWポンプ）光源が同期（パルスポンプ）光源を上回る統計的利点は、結合効率が1未満に低下すると失われる。これは、現実的な条件下では両者の性能が実質的に同等になることを示している。
• $ g^{(2)}(0) $が損失および検出器の不完全性を補正した上で、平均誤り光子数$ b $に正規化された場合にのみ、有用な指標であることが確認された。これは、レートとゲート周期の両方に敏感であるためである。
• 実験的に決定された結合効率は、信号（1550 nm）で$ \gamma_s = 40\% $、イドル（810 nm）で$ \gamma_i = 71\% $、ペアで$ \gamma_c = 31\% $であった。$ P^{\text{cor}} = R_c / R_s < 1 $であることから、非理想な相関効率であることが示された。