[논문 리뷰] Electro-optic Fourier transform chronometry of pulsed quantum light

Ali Golestani, Alex O. C. Davis외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 23.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 막-지엔더 간섭계에서 조정 가능한 전기광 스펙트럼 시프트를 이용하여 초단파 광 펄스—단일 광자 펄스 포함—의 시간적 에너지 에너지 분포를 측정하는 선형적이고 비선택적인 기술인 푸리에 변환 크로노미터를 소개한다. 이 방법은 스펙트럼 시프트 영역에서 간섭 무늬의 푸리에 변환을 통해 고정밀 펄스 지속시간 측정을 실현하며, 독립적으로 측정된 값과 3% 이내로 일치하고, 저광도 및 특수 파장 영역에의 적용 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

The power spectrum of an optical field can be acquired without a spectrally resolving detector by means of Fourier-transform spectrometry, based on measuring the temporal autocorrelation of the optical field. Analogously, we here perform temporal envelope measurements of ultrashort optical pulses without time resolved detection. We introduce the technique of Fourier transform chronometry, where the temporal envelope is acquired by measuring the frequency autocorrelation of the optical field in a linear interferometer. We apply our technique, which is the time-frequency conjugate measurement to Fourier-transform spectrometry, to experimentally measure the pulse envelope of classical and single photon light pulses.

연구 동기 및 목표

• 초단파 광 펄스의 시간적 에너지 에너지 분포를 측정하기 위한 선형적이고 비선택적인 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 강도 자가상관법이 실패하는 단일 광자 펄스와 같은 저광도 영역에서의 펄스 특성 분석을 가능하게 하기 위해.
• 전체 양자 상태 토모그래피에 비해 자원 효율적인 대안을 제공하기 위해 강도 에너지 분포에 집중함으로써.
• 중심 파장에 독립적이며 광자 노이즈에 내재적으로 면역되어 양자 광학 응용 분야에서 성능 향상을 이룰 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 선형 위상 변조를 통해 한 다리에 조정 가능한 전기광 스펙트럼 시프트를 적용한 균형 잡힌 막-지엔더 간섭계를 사용한다.
• 스펙트럼 시프트 Ω를 스캔하고, Ω에 대한 통합 출력 에너지 E(Ω)를 측정하여 간섭 무늬를 생성한다.
• E(Ω)에 대해 Ω에 대한 푸리에 변환을 수행하면 시간적 강도 프로파일 I0(t)를 얻을 수 있으며, 이를 통해 FΩ{E(Ω)}(T) = E0δ(T) + ½I0(T−t0) + ½I0(−T+t0) 식을 통해 펄스 에너지 분포를 복원한다.
• 이 기술은 비선형 과정(예: 두 번째 고조파 생성 등)을 피하기 위해 선형 전기광 위상 변조에 의존한다.
• 단일 광자를 위한 해상도 없는 버킷 검출을 사용하여 임의의 광자 통계 및 저강도 필드와도 호환된다.
• 이 방법은 푸리에 변환 분광법의 시간-주파수 쌍대 개념으로, 시간과 주파수 역할을 서로 바꾼다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 광학 과정이나 스펙트럼 해상도 검출을 요구하지 않고 초단파 단일 광자 펄스의 시간적 에너지 에너지 분포를 측정할 수 있는가?
• RQ2 기존 방법과 비교해 푸리에 변환 크로노미터가 펄스 지속시간을 얼마나 정확하게 재구성하는가?
• RQ3 측정 체인 내에서 스펙트럼 넓이 확장 및 산란 효과에 대해 이 방법이 얼마나 견고한가?
• RQ4 중간 적외선 또는 테라헤르츠와 같은 전통적이지 않은 중심 파장의 펄스에 대해서도 성능 저하 없이 적용 가능한가?
• RQ5 이 방법은 내재적으로 광자 노이즈가 없으며 양자 정보 응용 분야에 적합한가?

주요 결과

• 측정된 광 펄스의 시간적 너비는 독립적으로 측정된 값과 3% 이내로 일치했으며, 이로 인한 오차는 스펙트럼 시프트로 인한 스펙트럼 넓이 확장 때문으로 기인되었다.
• 펄스 대역폭을 변경하거나 산란을 도입했을 때 이론적 예측과 우수한 일치를 보였다.
• 이 기술은 중심 파장에 독립적이며 내재적으로 광자 노이즈가 없어 저광도 및 양자 응용 분야에 적합하다.
• 스펙트럼 시프트 영역에서 측정된 간섭 무늬는 고정밀도로 시간적 강도 에너지 분포로 성공적으로 푸리에 변환되어 재구성되었다.
• 이 방법은 해상도 없는 버킷 검출기만을 사용하여 전체 양자 상태 토모그래피에 비해 자원 요구량을 크게 줄일 수 있다.
• 박막형 리튬니오브산탄 전기광 변조기를 사용하여 초광대역 및 특수 파장 펄스에 대해도 확장 가능한 방법이다.