[論文レビュー] Proposal for noise-free visible-telecom quantum frequency conversion through third-order sum and difference frequency generation

Xiyuan Lu, Grégory Moille+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 34被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、シリコンナ nitride ミクロリングレゾネータを用いて1990 nmのポンプを用いた3次周波数生成/差周波数生成（TSFG/TDFG）を提案し、606 nm（可視光）と1550 nm（通信帯）の間でノイズのない量子周波数変換を実現する。この手法により、ポンプと信号／イジールの周波数スペクトルが重複しないため、既存のχ(2)およびχ(3)手法の主な制限であるポンプノイズの問題を回避し、50 mWのポンプパワーで80%以上の効率を達成する。

ABSTRACT

Quantum frequency conversion (QFC) between the visible and telecom is a key functionality to connect quantum memories over long distances in fiber-based quantum networks. Current QFC methods for linking such widely-separated frequencies, such as sum/difference frequency generation and four-wave mixing Bragg scattering, are prone to broadband noise from the pump laser(s). To address this issue, we propose to use third-order sum/difference frequency generation (TSFG/TDFG) for an upconversion/downconversion QFC interface. In this process, two pump photons combine their energy and momentum to mediate frequency conversion across visible and telecom bands, bridging a large spectral gap with long-wavelength pump pho-tons, which is particularly beneficial from the noise perspective. We show that waveguide-coupled silicon nitride microring resonators can be designed for efficient QFC between 606 nm and 1550 nm via a 1990 nm pump through TSFG/TDFG. We simulate the device dispersion and coupling, and from the simulated parameters estimate that the frequency conversion can be efficient (>80 %) at 50 mW pump power. Our results suggest that microresonator-based TSFG/TDFG is promising for compact, scalable, and low power QFC across large spectral gaps.

研究の動機と目的

• 可視光帯と通信帯の間の大きなスペクトルギャップにおいて、既存の量子周波数変換（QFC）手法で生じる広帯域ポンプ誘発ノイズの課題に対処する。
• χ(2)およびχ(3)プロセスの制限を克服する。この場合、ポンプノイズが信号およびイジールの周波数スペクトルと重複し、光子統計が劣化する。
• 1990 nmポンプを用いた1段階で実現可能な、コンactかつスケーラブルなプラットフォームにより、606 nmと1550 nm間で効率的かつ低ノイズのQFCを実現する。
• 606 nmから1550 nmへのTSFG/TDFGプロセスを1990 nmポンプ波長で位相一致可能にするよう、波ガイド結合型シリコンナ nitride ミクロリングレゾネータを最適化設計する。
• 50 mWの低ポンプパワーで80%以上の変換効率を達成し、最小限のノイズを発生させる実現可能性を実証する。

提案手法

• 606 nmから1550 nmのスペクトルギャップを埋めるために、1990 nmの準同調赤外ポンプを用いた3次周波数生成／差周波数生成（TSFG/TDFG）を採用する。
• 周波数一致条件 ωv = ωt + 2ωp を適用する。ここで、ωv、ωt、ωp はそれぞれ可視光、通信帯、ポンプ周波数を表す。
• TSFG/TDFGプロセスを位相一致可能にするよう、分散および結合条件を調整したシリコンナ nitride ミクロリングレゾネータを設計する。
• 群速度分散、モード重ね合わせ、結合効率などのデバイスパラメータをシミュレーションし、変換効率を最適化する。
• 波ガイド結合を活用して、周波数変換信号を高効率で抽出する。
• ポンプが入力信号および出力信号と周波数的に明確に分離されていることを保証し、ラーマン散乱および蛍光ノイズを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次周波数生成／差周波数生成（TSFG/TDFG）は、可視光帯と通信帯の間でノイズのない量子周波数変換を可能にするか？
• RQ2 長波長ポンプを用いた1段階のコンパactsなマイクロレゾネータプラットフォームで、80%以上の高い変換効率を達成できるか？
• RQ3 波ガイド結合型シリコンナ nitride ミクロリングレゾネータは、1990 nmポンプを用いて606 nmから1550 nmへのTSFG/TDFGを位相一致可能に設計できるか？
• RQ4 大スペクトルギャップQFCにおけるポンプの周波数位置がノイズ生成に与える影響は何か？また、TSFG/TDFGはポンプ誘発ノイズを排除できるか？
• RQ5 オクターブスパンの周波数シフトにおいて、既存のχ(2)およびχ(3) QFC技術に比べ、本手法はノイズおよび効率の点で優れているか？

主な発見

• 提案されたTSFG/TDFGプロセスにより、ポンプ（1990 nm）が606 nm信号および1550 nmイジールと周波数的に明確に分離されているため、ラーマン散乱および蛍光ノイズを回避し、ノイズのない量子周波数変換が実現可能である。
• シミュレーションの結果、波ガイド結合型シリコンナ nitride ミクロリングレゾネータは、1990 nmポンプを用いて606 nmから1550 nmへの変換で80%以上の変換効率を達成可能である。
• 50 mWという低ポンプパワーでの効率的変換が可能であり、低消費電力動作が実現可能であることが示された。
• 狭帯域スペクトルフィルタリングやマルチステージ変換の必要がなく、システム設計が簡素化される。
• スケーラブルであり、統合フォトニクスプラットフォームと互換性があり、コンパクトでチップ内統合可能なQFCインターフェースを実現可能である。
• 既存のQFC手法の根本的制限、すなわちポンプノイズが信号およびイジールと重複する問題を、特にオクターブスパンの変換において克服する。