[논문 리뷰] Characterization of an asynchronous source of heralded single photons generated at a wavelength of 1550 nm

Maria Tengner, Daniel Ljunggren|ArXiv.org|2007. 06. 20.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 전위된 KTiOPO4 결정에서 자발적 파라메트릭 다운컨버전을 이용하여 1550 nm에서 이종성 허브리드 단일광자원을 상세히 특성화한다. 검출기 게이트 주기, 광자 비율, 그리고 섬유 결합 효율을 분석함으로써 저자들은 $ g^{(2)}(0) = 0.0235 \pm 0.0005 $를 기록하여 다중광자 사건의 강력한 억제를 보이며, 섬유 모드에서 단일광자를 위한 48%의 허브리드 효율을 달성한다.

ABSTRACT

We make a thorough analysis of heralded single photon sources regarding how factors such as the detector gate-period, the photon rates, the fiber coupling efficiencies, and the system losses affect the performance of the source. In the course of this we give a detailed description of how to determine fiber coupling efficiencies from experimentally measurable quantities. We show that asynchronous sources perform, under most conditions, better than synchronous sources with respect to multiphoton events, but only for nearly perfect coupling efficiencies. We apply the theory to an asynchronous source of heralded single photons based on spontaneous parametric downconversion in a periodically poled, bulk, KTiOPO4 crystal. The source generates light with highly non-degenerate wavelengths of 810 nm and 1550 nm, where the 810 nm photons are used to announce the presence of the 1550 nm photons inside a single-mode optical fiber. For our setup we find the probability of having a 1550 nm photon present in the single-mode fiber, as announced by the 810 nm photon, to be 48%. The probability of multiphoton events is strongly suppressed compared to a Poissonian light source, giving highly sub-Poisson photon statistics.

연구 동기 및 목표

• 광자 비율, 결합 효율, 시스템 손실 측면에서 이종성 허브리드 단일광자원(HSPS)을 특성화하기 위한 종합적인 실험 방법 개발.
• 검출된 광자 비율, 검출기 효율, 어둠의 수를 포함한 실험적으로 측정 가능한 양으로부터 섬유 결합 효율을 추출하는 데 가장 정확한 방법을 규명.
• 다중광자 억제 및 광자 통계 측면에서 이종성(CW-펌프)과 동기(pulse-펌프) HSPS의 성능를 비교.
• 검출기 게이트 주기 및 허브리드 비율이 광자 수 통계, 특히 $ g^{(2)}(0) $에 미치는 영향을 정량화.
• 비이상적인 결합 효율을 포함한 현실적인 실험 조건에서 광자 통계의 이론 모델을 검증.

제안 방법

• 저자들은 실험적으로 측정 가능한 매개변수—예를 들어, 검출된 광자 비율, 검출기 효율, 어둠의 수, 게이트 주기—와 진짜 광자 비율 및 결합 효율 간의 이론적 프레임워크를 유도한다.
• 조건부 공진도 측정 및 검출기 응답 함수로부터 단일광자 및 쌍 광자 결합 효율($ \gamma_s $, $ \gamma_i $, $ \gamma_c $)을 추출하는 방법을 제안한다.
• 이차 자기상관 함수 $ g^{(2)}(0) $는 통계 평가를 위해 계산되고 측정되며, 검출기 효율 및 시스템 손실에 대한 보정이 적용된다.
• 이론적 곡선은 $ b_0 = \Delta t_{\text{gate}} R_0 $에 따라 유도되며, 이상적(완벽한 결합)과 비이상적(현실적인) 경우를 비교한다.
• 실험 데이터는 주기적으로 전위된 KTiOPO4에서 CW-펌프 SPDC 원천을 사용하여 수집되었으며, 810 nm 광자가 1550 nm 광자를 허브리드하는 단일모드 섬유 내에서 측정되었다.
• 상관된 광자 방출을 고려하여 조건부 공진도 측정치를 사용하여 단일광자 존재 확률과 다중광자 사건의 확률을 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 검출기 게이트 주기, 광자 비율, 섬유 결합 효율이 이종성 허브리드 단일광자원의 성능에 어떻게 종합적으로 영향을 미치는가?
• RQ2 HSPS에서 실험적으로 측정 가능한 양으로부터 섬유 결합 효율을 추출하는 데 가장 정확한 방법은 무엇인가?
• RQ3 이종성 HSPS(CW-펌프)의 광자 통계는 동기 HSPS(pulse-펌프)와 비교하여 다중광자 억제 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 비이상적인 결합 효율이 이종성(포isson) 원천이 동기(열역학적) 원천보다 우월한 점을 얼마나 떨어뜨리는가?
• RQ5 손실과 검출기 비이상성까지 고려할 때 $ g^{(2)}(0) $가 HSPS 성능의 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있는가?

주요 결과

• 허브리드 단일광자원은 810 nm 광자가 존재함을 알리면서 1550 nm 광자가 단일모드 섬유에 존재할 확률가 48%에 도달했으며, 이는 조건부 공진도 비율 $ \mu_{\text{i}|\text{s}} = 48\% $에 해당한다.
• 이차 자기상관 함수는 $ g^{(2)}(0) = 0.0235 \pm 0.0005 $로 측정되어 매우 비포isson 통계를 보이며 다중광자 사건의 강력한 억제를 나타낸다.
• 각 게이트당 정확히 한 개의 허브리드 광자가 존재할 확률는 $ P(1) = 0.483 \pm 0.003 $였고, 두 개 이상의 광자가 존재할 확률는 오직 $ P_{m \geq 2} = 0.0028 \pm 0.00002 $에 불과했다.
• 이론적 모델링 결과, 이종성(CW-펌프) 원천이 동기(pulse-펌프) 원천보다 광자 통계 측면에서 유리한 점은 결합 효율이 1 미만이 되면 상실되며, 현실적인 조건에서는 두 경우가 실질적으로 동일하게 된다.
• 연구는 $ g^{(2)}(0) $가 평균 임의 광자 수 per gate $ b $에 대해 정규화된 경우에만 유용한 지표임을 확인하였으며, 이는 비율과 게이트 주기 양쪽 모두에 민감하기 때문이다.
• 실험적으로 결정된 결합 효율은 신호(1550 nm)에 대해 $ \gamma_s = 40\% $, 아이들러(810 nm)에 대해 $ \gamma_i = 71\% $, 쌍에 대해 $ \gamma_c = 31\% $였으며, $ P^{\text{cor}} = R_c / R_s < 1 $이므로 비이상적인 상관 효율을 나타낸다.