[論文レビュー] Photon Conversion and Interaction on Chip

Jia‐Yang Chen, Zhan Li+5 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、周期的ポーライズドリチウムニオブ酸ガラス（PPLN）マイクロリングレゾネータを用いて、チップ上での超高効率・低ノイズ光子変換および強い光子-光子相互作用を実証した。104 µWのポンプパワーでの65%の外部量子効率と、10⁻⁵の単一光子レベルの変換確率を達成することで、統合量子フォトニクス回路の新しい基準を確立した。

ABSTRACT

The conversion and interaction between quantum signals at a single-photon level are essential for scalable quantum photonic information technology. Using a fully-optimized, periodically-poled lithium niobate microring, we demonstrate ultra-efficient sum-frequency generation on chip. The external quantum efficiency reaches $(65\pm3)\%$ with only $(104\pm4)$ $μ$W pump power, improving the state-of-the-art by over one order of magnitude. At the peak conversion, $3 imes10^{-5}$ noise photon is created during the cavity lifetime, which meets the requirement of quantum applications using single-photon pulses. Using pump and signal in single-photon coherent states, we directly measure the conversion probability produced by a single pump photon to be $10^{-5}$ -- breaking the record by 100 times -- and the photon-photon coupling strength to be 9.1 MHz. Our results mark a new milestone toward quantum nonlinear optics at the ultimate single photon limit, creating new background in highly integrated photonics and quantum optical computing.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子フォトニクス統合のための根本的課題である真空中の弱い光子-光子相互作用および従来材料の低非線形性を克服すること。
• 完全最適化された周期的ポーライズドリチウムニオブ酸ガラス（PPLN）マイクロリングレゾネータを用いて、高効率・低ノイズの光子変換および単一光子レベルでの強い非線形結合を実現すること。
• スケーラブルな量子情報処理に適したコンactな統合プラットフォーム上で、記録的な外部量子効率および光子-光子結合強度を実証すること。
• 単一チップ上での量子周波数変換、光のスケーリング、決定的エンタングルメント生成などの実用的応用を可能にすること。

提案手法

• 三重共振型周波数混合（SFG）を最適化したZ面切り、周期的ポーライズドリチウムニオブ酸ガラスオンインシュレータ（LNOI）マイクロリングレゾネータ（幅1.7 µm、半径80 µm）の設計およびプロセス。
• ポンプ波、信号波、周波数混合波のすべての波に対して強い過結合を実現するため、400 nmのトップ幅、650 nmのギャップ、40 µmの長さを持つプーリーコンタクタの実装により、光子抽出効率を最大化。
• 3.37 µmの周期とほぼ50%のデューティーサイクルを用いた周期的ポーライズにより、準位相一致（QPM）を実現し、効率的な二階非線形過程（χ⁽²⁾）を可能にした。これは、大きなd₃₃ = 27 pm/Vの感受率を活用した。
• 電子ビームリソグラフィと誘導結合プラズマ（ICP）アルゴンイオンエッチングを用いて、64°の側面傾斜を持つ高品質でマイクロメートル未満の波ガイドおよびマイクロリング構造を定義。
• エッチング後、1.5 µmのSiO₂キャッピング層を施して構造を保護し、伝送損失を低減。
• 熱的に可変なマイクロリングと方向的 coupler を統合したシステムレベル設計により、予言的エンタングルメント生成を実現し、スケーラビリティを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜リチウムニオブ酸ガラスを用いた完全に統合されたチップ内プラットフォームで、単一光子レベルにおける超高効率・低ノイズの光子変換を達成できるか？
• RQ2 最小限のポンプパワーで、周期的ポーライズドマイクロリングレゾネータにおける周波数混合の最大外部量子効率はどの程度か？
• RQ3 チップスケールの非線形光学系における内在的光子-光子結合強度および単一光子変換確率は何か？
• RQ4 量子応用の要件を満たすために、十分に低いノイズ（例：100 psのレゾネータ寿命あたり3×10⁻⁵未満のノイズ光子）を達成できるか？
• RQ5 過結合・三重共振・周期的ポーライズドマイクロリング構造を統合した場合、既存のフォトニクスプラットフォームに比べて性能がどのように向上するか？

主な発見

• 本デバイスは、あらゆるフォトニクスプラットフォームにおいて、65 ± 3)%の外部量子効率を達成し、これは現在の最先端技術をはるかに上回る十倍以上の改善である。
• ピーク変換効率に到達するにはわずか104 ± 4 µWのポンプパワーで十分であり、量子システムにとって極めて重要な低消費電力動作を実現した。
• チップ上でのノイズ光子フラックスは100 psのレゾネータ寿命あたり3×10⁻⁵光子と測定され、わずかなデチューニングにもかかわらず、ほぼ量子限界に近い動作であることが確認された。
• 単一光子変換確率は直接測定され、10⁻⁵に達し、以前の記録10⁻⁷を2桁も上回った。
• 光子-光子結合強度は9.1 MHz（角周波数）に達し、単一光子レベルでの強い非線形相互作用を可能にした。
• 予言的ハーディングエンタングルメント生成の出力レートが10 Hzに近づき、スケーラブルな量子フォトニクス回路の実現を示した。