[論文レビュー] Self-calibrating Fiber Spectrometer for the Measurement of Broadband Downconverted Photon Pairs

E. Y. Zhu, C. Corbari+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ポーライズド光ファイバーから発生するタイプ-II光子対の広帯域相互スペクトル強度（JSI）と同時に、分散性ファイバー・スパoolの分散をリアルタイムで測定する自己校正型ファイバー分光計を提案する。鋭いエッジを持つスペクトルフィルターをスペクトルマーカーとして用いることで、事前の分散キャリブレーションを不要にし、1.5 μmを中心とする100 nm以上の帯域幅で高繰り返し周波数の励起を用いて高精度なJSIマッピングを実現する。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate a simple method to measure the biphoton joint spectrum by mapping the spectral information onto the temporal domain using a dispersive medium. Various top-hat spectral filters are used to limit the spectral (and hence, temporal) extent of the broadband downconversion photons measured. The sharp edges of the spectral filters are utilized as spectral markers for dispersion characterization of the dispersive medium. This method allows dispersion characterization and joint spectral measurement to be completed simultaneously. The joint spectrum (which extends beyond 100 nm, centered about 1.5 micron) of the type-II downconverted photon pairs generated from a poled optical fiber is obtained with this method.

研究の動機と目的

• ファイバー分光計における二光子相互スペクトル強度（JSI）測定にあたって、ファイバー分散の事前キャリブレーションを不要にする。
• ポーライズド光ファイバーからの広帯域でスペクトル相関を持つ光子対を、高スペクトル分解能で正確に測定することを可能にする。
• 高繰り返し周波数の励起（81.6 MHz）を用いる場合、ダウンコンverted光子の時間的広がりをスペクトルフィルターで制限することで、時間的重なりを回避し、効果的に運用可能である。
• 同じ実験設定とデータを用いて、同時にファイバー・スパoolの分散プロファイルと光子対源のJSIを抽出することを可能にする。
• 非線形プロセスに関する事前知識が得られない統合的またはパッケージング済みの量子光源の特性評価に実用的で自己一貫性のある手法を提供する。

提案手法

• 本手法は、波長依存の群速度遅延を用いて、二光子のスペクトル情報を分散性ファイバー・スパoolで時間領域にマッピングする。
• 鋭いエッジを持つトップハット型フィルターを用いて、ダウンコンバート光子の時間的広がりを制限し、高繰り返し周波数の励起でも時間的重なりを防ぐ。
• フィルターの鋭い立ち上がりおよび立ち下がりエッジが、事前知識なしに同時にファイバー分散をキャリブレーションするスペクトルマーカーとして機能する。
• 群速度分散から導出された関係式 Δτ = L·D(λ)·Δλ を用いて、測定された時間幅 Δτ から分散パラメータ D(λ) を抽出する。
• 2次元の一致計数ヒストグラム n(ts, ti) を用いて、スペクトル-時間マッピングの逆変換により、相互スペクトル強度（JSI）を再構築する。
• 複数の励起波長（ステップサイズ ~0.1 nm）とフィルター対を用いて、120 nmの範囲にわたるJSIの包括的なチューニングカーブを合成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生成された光子対のみを用いて、事前のキャリブレーションなしにファイバー・スパoolの分散をイン・サイトで正確に特徴付けられるか？
• RQ2 シンプルで自己校正可能な装置を用いて、広帯域でスペクトル相関を持つ光子対の相互スペクトル強度を高スペクトル分解能で測定できるか？
• RQ3 鋭いエッジを持つスペクトルフィルターが、ファイバー分光計における分散キャリブレーションの信頼性の高いスペクトルマーカーとして機能する程度はどの程度か？
• RQ4 適切なスペクトルフィルターを用いることで、時間的クロストークのない状態で高繰り返し周波数の励起（81.6 MHz）をファイバー分光計で効果的に使用できるか？
• RQ5 一度の実験走行と一つの光源を用いて、同時にJSIと分散媒体の分散プロファイルを抽出することが可能か？

主な発見

• 本手法は、1.5 μmを中心とする100 nmを超える帯域幅で、ポーライズド光ファイバーからのタイプ-IIダウンコンバート光子対の相互スペクトル強度（JSI）を成功裏に測定した。
• トップハット型フィルターの鋭いスペクトルエッジを用いて、ファイバー分散を自己キャリブレーションし、測定された時間幅の不確かさを±180 psまで達成した。
• 異なる励起波長において、フィルターを通過した光子対の時間的広がり Δτ は9.77 nsから10.20 nsに変動し、予想される分散の変化と整合的であった。
• JSIのチューニングカーブは、信号・イダー波長で120 nm、励起周波数のずれ（Δλp）で1 nmの範囲（Δλp = 0.25 nm）にわたって再構築され、Δλp = 0.25 nmで最大帯域幅を示した。
• 非線形プロセスに関する事前知識やファイバー・スパoolの事前キャリブレーションを必要とせず、JSIとファイバー分散の同時測定が可能である。
• スペクトルフィルターによる効果的な時間的ゲーティングのおかげで、81.6 MHzの高繰り返し周波数での運用に対しても、一致の重なり（pile-up）を回避でき、ロバストである。