[논문 리뷰] Bi-photon propagation control with optimized wavefront by means of Adaptive Optics

Mattia Minozzi, Stefano Bonora외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 08.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 10인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 자발적 파라메트릭 다운컨버전(스파티얼 파라메트릭 다운컨버전, SPDC)을 통해 생성된 양자 얽힌 광자 쌍의 공간적 전파를 제어하기 위해 탄성 거울과 개미 군집 최적화 알고리즘을 사용한 적응형 파면 형상 조절을 시연한다. 두 광자 동시성 비율을 피드백 신호로 사용하여 펌프 레이저의 파면을 실시간으로 최적화함으로써, 2미터 거리에서 빔 분산을 감소시키고 섬유 커플링 효율을 향상시킨다. 그 결과 동시성 수를 최대 40% 증가시키고 빔 스트립 크기를 5배로 감소시켰다.

ABSTRACT

We present an efficient method to control the spatial modes of entangled photons produced through SPDC process. Bi-photon beam propagation is controlled by a deformable mirror, that shapes a 404nm CW diode laser pump interacting with a nonlinear BBO type-I crystal. Thanks to adaptive optical system, the propagation of 808nm SPDC light produced is optimized over a distance of 2m. The whole system optimization is carried out by a feedback between deformable mirror action and entangled photon coincidence counts. We also demonstrated the improvement of the two-photon coupling into single mode fibers.

연구 동기 및 목표

• SPDC를 통해 생성된 양자 얽힌 광자 쌍의 공간 모드 특성을 펌프 빔의 파면 형상 조절을 통해 제어하기 위해.
• 이중광자 상태의 장거리 자유공간 전파에서 발생하는 빔 분산 및 정렬 오차 문제를 해결하기 위해.
• 2미터의 자유공간을 초월한 다중모드 및 단일모드 섬유로의 SPDC 광자 커플링 효율을 향상시키기 위해.
• 펌프 빔의 파면 형상 조절이 이중광자 파동함수를 최적화하고 동시성 수를 증가시킬 수 있음을 실험적으로 검증하기 위해.
• 피드백 기반의 진화 알고리즘이 양자광학 응용 분야에서 최적의 탄성 거울 설정을 찾는 데 효과적인지 보여주기 위해.

제안 방법

• 404 nm 연속파 다이오드 레이저를 사용하여 BBO 타입-I 비선형 결정을 투과시켜 SPDC를 통해 양자 얽힌 광자 쌍을 생성한다.
• 32개의 액추에이터를 갖춘 탄성 거울을 사용하여 펌프 빔의 파면 형상을 조절하며, 거울 표면은 적응 피드백 루프에 의해 제어된다.
• 개미 군집 최적화 알고리즘이 반복적으로 거울의 액추에이터 전압을 조정하여 두 광자 동시성 수를 최대화하는 방향으로 작용한다.
• 펌프 빔은 확산되어 탄성 거울의 활성 영역과 일치시키고 파면 해상도를 향상시키기 위해 릴레이 시스템을 통과시킨다.
• SPADs로 측정한 신호 광자와 아이델 광자 간의 동시성 비율을 최적화 알고리즘의 피트니스 함수로 사용한다.
• Zernike 다항식 분해를 통해 최적화된 파면을 분석하여 주로 초점 불일치, 산란, 콩가 등 주요 수차를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPDC를 통해 생성된 이중광자 빔의 공간적 전파를 적응 광학으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 펌프 빔의 파면 형상 조절이 장거리 자유공간 경로에서의 양자 얽힌 광자 쌍의 분산과 빔 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 진화 알고리즘이 파면 형상을 얼마나 잘 최적화하여 동시성 수와 섬유 커플링 효율을 극대화할 수 있는가?
• RQ4 어느 정도의 파면 수차(예: 초점 불일치, 산란, 콩가)가 빔 분산을 교정하고 빔 수렴성을 향상시키는 데 가장 효과적인가?
• RQ5 동일한 최적화 전략이 단일모드 섬유로의 커플링을 향상시킬 수 있으며, 그 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 적응 광학 시스템은 2미터 자유공간 경로에서 펌프 파면을 최적화함으로써 두 광자 동시성 수를 최대 40% 증가시켰다.
• 결정에서 1.5미터 떨어진 곳에서 빔 스트립 직경은 약 3.9 mm에서 1.5 mm로 감소하여 직경이 5배로 줄었다.
• 최적화된 파면은 명백한 초점 불일치, 산란(Z₂,₂), 콩가(Z₃,₁ 및 Z₃,₋₁) 성분을 보였으며, 이들이 함께 빔 분산을 교정했다.
• 최적화 후 빔 형태는 타원형으로 변형되었고, 대각선 방향으로 늘어나면서 고차 수차의 영향을 나타냈다.
• 단일모드 섬유로의 커플링 시, 동시성 수는 60초당 20,780 ± 144에서 25,418 ± 159로 20% 이상 증가했다.
• 최적화 과정은 지수적으로 안정된 고동시성 구성으로 수렴하였으며, 적응 탐색을 통해 국소 최소값을 효과적으로 피하는 데 성공했다.