[論文レビュー] Overcoming the quantum limit of optical amplification in monolithic waveguides

Zhichao Ye, Ping Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2021

Optical Network Technologies参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、三次非線形性を用いたモノリシック窒化ケイ素波ガイドにおける連続波パラメトリック増幅を示し、位相感受性モードで動作させることで、標準的量子限界を下回るノイズ figure を達成した。結果は、量子光学および高容量光通信向けに超低ノイズ光増幅への道筋を示している。

ABSTRACT

Optical amplifiers are essential in numerous photonic applications. Parametric amplifiers, relying on a nonlinear material to create amplification, are uniquely promising as they can amplify without generating excess noise. Here, we demonstrate amplification based on the 3rd order nonlinearity in a single chip, while in addition reporting a noise figure significantly below the conventional quantum limit when operated in phase-sensitive mode. Our results show the potential of nanophotonics for realizing continuous-wave parametric amplification that can enable applications in optical communications, signal processing and quantum optics across a wide range of frequencies.

研究の動機と目的

• 統合フォトニクスプラットフォームにおける光増幅の根本的量子限界を克服すること。
• 単一チップ波ガイドにおける三次非線形性を用いた連続波パラメトリック増幅を実証すること。
• 位相感受性動作により、標準的量子限界を下回るノイズ性能を達成すること。
• 光通信および量子情報分野への応用に適した低ノイズかつ広帯域増幅を実現すること。
• ナノフォトニクス波ガイドが高精度パラメトリック増幅に実現可能であることを検証すること。

提案手法

• パラメトリック増幅に適した三次光学非線形性を発揮するモノリシック窒化ケイ素波ガイドを用いる。
• 量子干渉を利用する位相感受性増幅を採用し、標準的量子限界を下回るノイズ低減を実現する。
• ポンプおよび信号周波数の精密制御を実施した連続波モードで増幅器を動作させる。
• 四波混合（FWM）に基づく非線形プロセスを用いて、最小限の追加ノイズで信号増幅を生成する。
• インターオンメトリック技術を用いてノイズ figure を測定し、量子限界を下回る性能を確認する。
• すべての部品を1チップに統合することで、コンact、スケーラブルかつ安定した動作を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノリシック波ガイドにおける三次非線形性が、量子限界を下回るノイズでパラメトリック増幅を可能にするか？
• RQ2 統合プラットフォームにおける位相感受性増幅を用いた連続波動作で、達成可能なノイズ figure はどの程度か？
• RQ3 ノイズおよび帯域幅の観点から、モノリシック波ガイド増幅器は従来の増幅器と比べてどのように性能を発揮するか？
• RQ4 オンチップパラメトリック増幅の実用的制限要因および安定性特性は何か？
• RQ5 この手法は、広帯域およびマルチチャネル光信号処理をサポートするようにスケーリング可能か？

主な発見

• 波ガイドベースのパラメトリック増幅器は、標準的量子限界（3 dB）を著しく下回るノイズ figure を達成した。
• 位相感受性動作により、量子干渉を介したノイズ低減が実現され、理論的予測の妥当性が裏付けられた。
• 単一チップ窒化ケイ素波ガイドにおいて、連続波増幅が成功裏に実証された。
• 過剰ノイズが低減していることから、量子応用に適した高精度な信号増幅が可能であることが示された。
• 統合ナノフォトニクスプラットフォームが、超低ノイズ光増幅器実現の可能性を裏付けた。
• 本手法は、既存の光通信および量子光学システムと互換性があり、今後のオンチップ統合に向けた基盤を提供する。