[논문 리뷰] Efficient single sideband microwave to optical conversion using an electro-optical whispering gallery mode resonator

Alfredo Rueda, Florian Sedlmeir외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 27.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 41인용 수 78

한 줄 요약

이 논문은 삼중 공진 리튬니오브산탄(위저링 갤러리 모드, WGM) 공진기를 사용하여 효율적인 단일 사이드밴드 마이크로파-광학 변환을 구현한다. 공진기의 디스퍼션를 설계하여 한 쪽 사이드밴드를 억제하고, 10 GHz에서 광학 펌프 파wer 0.42 mW로 0.1%의 광자 수 변환 효율을 달성한다. 이는 이전 연구 대비 세 개의 지수 차수 향상이다.

ABSTRACT

Linking classical microwave electrical circuits to the optical telecommunication band is at the core of modern communication. Future quantum information networks will require coherent microwave-to-optical conversion to link electronic quantum processors and memories via low-loss optical telecommunication networks. Efficient conversion can be achieved with electro-optical modulators operating at the single microwave photon level. In the standard electro-optic modulation scheme this is impossible because both, up- and downconverted, sidebands are necessarily present. Here we demonstrate true single sideband up- or downconversion in a triply resonant whispering gallery mode resonator by explicitly addressing modes with asymmetric free spectral range. Compared to previous experiments, we show a three orders of magnitude improvement of the electro-optical conversion efficiency reaching 0.1% photon number conversion for a 10GHz microwave tone at 0.42mW of optical pump power. The presented scheme is fully compatible with existing superconducting 3D circuit quantum electrodynamics technology and can be used for non-classical state conversion and communication. Our conversion bandwidth is larger than 1MHz and not fundamentally limited.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보 네트워크에서 공명적이고 낮은 잡음의 마이크로파-광학 변환의 필요성을 해결한다.
• 기본 전기광학 변조기의 한계를 극복하여 상하 두 쪽의 사이드밴드를 모두 생성함으로써 자발적 과정에서 발생하는 잡음을 유발한다는 점을 해결한다.
• 대역폭을 손상시키지 않거나 기계적 공진기 결합을 요구하지 않고도 효율적이고 선택적인 사이드밴드 변환(상향 또는 하향 변환)을 가능하게 한다.
• 초전도체 3D 회로 양자 전기역학(cQED) 플랫폼과 호환되는 높은 변환 효율을 달성하여 확장 가능한 양자 인터페이스를 실현한다.
• 광학 모드의 디스퍼션 공학을 통해 MHz 수준의 대역폭과 조절 가능한 사이드밴드 억제를 갖춘 시스템을 개발한다.

제안 방법

• 리튬니오브산탄으로 제작된 삼중 공진 WGM 공진기를 사용하여 광학 펌프, 마이크로파 드라이브, 신호 필드를 동시에 구속한다.
• 광학 모드의 자유 스펙트럴 범위(Free Spectral Range, FSR) 비대칭성을 설계하여, 간섭 최소화를 통해 상향 또는 하향 변환된 사이드밴드 중 하나를 선택적으로 억제한다.
• 포켈 효과를 통한 전기광학 변조를 적용하여 마이크로파 필드가 결정의 굴절률을 조절하고, 광학 펌프 주파수를 중심으로 대칭적인 사이드밴드를 생성한다.
• WGM 공진기의 두 수직 편광 모드 간의 비대칭 FSR을 이용하여, 광학 펌프 주파수를 이격하지 않고도 한 쪽 사이드밴드만 선택적으로 억제하는 단일 사이드밴드 작동을 실현한다.
• 고 품질 인자(Q) 공진기를 사용하여 빛-물질 상호작용을 강화하고, 마이크로파 및 광학 모드 간의 효과적 결합 강도 g를 증가시킨다.
• 공진기 두께를 줄이고 제작 오차를 제거하여 손실을 최소화하고 비선형 결합 강도 g를 향상시키기 위해 시뮬레이션을 통한 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 공진기를 사용하지 않고 순수 전기광학 시스템에서 단일 사이드밴드 마이크로파-광학 변환을 달성할 수 있는가?
• RQ2 WGM 공진기에서 광학 모드의 디스퍼션 공학을 통해 사이드밴드 억제를 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ3 자발적 과정에서 발생하는 잡음이 최소한인 공진 전기광학 시스템에서 도달 가능한 최대 광자 수 변환 효율은 얼마인가?
• RQ4 비공진 비선형 매질에서 변환의 대역폭은 내재된 손실과 결합률에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 전기광학 협동도(G)가 충분히 향상되어 단일 광자 영역에서 작동할 수 있을 정도가 되는가? 이는 양자 정보 응용에 적합한가?

주요 결과

• 0.42 mW의 광학 펌프 파워로 10 GHz 마이크로파 톤에서 광자 수 변환 효율 0.1%를 달성하였으며, 이는 이전의 전기광학 WGM 기반 시스템 대비 세 개의 지수 차수 향상이다.
• 비대칭 자유 스펙트럴 범위(FSR)를 가진 광학 모드의 디스퍼션를 설계하여 사이드밴드 억제를 실현하였으며, 광학 펌프 주파수를 이격하지 않고도 상향 또는 하향 변환된 사이드밴드 중 하나를 선택적으로 억제할 수 있다.
• 변환 대역폭은 1 MHz를 초과하며, 전기기계 시스템과 달리 기계적 공진기 역학에 의해 본질적으로 제한되지 않는다.
• 전기광학 협동도 $ G_0 \approx 4 \times 10^{-3} $ 는 아직 비정상 상태 변환의 임계값($ G_0 \approx 1 $) 이하이지만, 시뮬레이션 결과 공진기 두께를 줄이고 공기 간극을 제거함으로써 두~세 개의 지수 차수 향상이 가능하다.
• 이론적 분석에 따르면 현실적인 개선 조치로 $ G_0 \gg 1 $ 도 달성 가능하며, 향후 단일 광자 영역에서의 작동이 가능해질 전망이다.
• 이 시스템은 초전도체 3D 회로 양자 전기역학(cQED) 기술과 완전히 호환되며, 확장 가능한 양자 네트워크에 통합 가능하다.