[논문 리뷰] Photon Conversion and Interaction on Chip

Jia‐Yang Chen, Zhan Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 01.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 폴링된 리튬니오브산타니다(PLN) 마이크로링 공진기 구조를 이용해 칩 상에서 초고효율, 저노이즈 광자 변환 및 강한 광자-광자 상호작용을 구현함을 보여준다. 104 µW의 펌프 파wer만으로도 65%의 외부 양자 효율을 달성하고 단일 광자 수준의 변환 확률을 10⁻⁵로 구현함으로써, 통합 양자 광학 회로 분야의 새로운 기준을 설정한다.

ABSTRACT

The conversion and interaction between quantum signals at a single-photon level are essential for scalable quantum photonic information technology. Using a fully-optimized, periodically-poled lithium niobate microring, we demonstrate ultra-efficient sum-frequency generation on chip. The external quantum efficiency reaches $(65\pm3)\%$ with only $(104\pm4)$ $μ$W pump power, improving the state-of-the-art by over one order of magnitude. At the peak conversion, $3 imes10^{-5}$ noise photon is created during the cavity lifetime, which meets the requirement of quantum applications using single-photon pulses. Using pump and signal in single-photon coherent states, we directly measure the conversion probability produced by a single pump photon to be $10^{-5}$ -- breaking the record by 100 times -- and the photon-photon coupling strength to be 9.1 MHz. Our results mark a new milestone toward quantum nonlinear optics at the ultimate single photon limit, creating new background in highly integrated photonics and quantum optical computing.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 통합 양자 광학 통합을 위한 근본적인 과제인 진공 상태에서의 약한 광자-광자 상호작용과 전통적 재료의 낮은 비선형성 문제를 해결하기 위해.
• 완전 최적화된 주기적으로 폴링된 리튬니오브산타니다(PPLN) 마이크로링 공진기를 사용하여 단일 광자 수준에서 고효율, 저노이즈 광자 변환 및 강한 비선형 결합을 달성하기 위해.
• 작고 통합된 플랫폼에서 기록적인 외부 양자 효율과 광자-광자 결합 강도를 구현함으로써, 양자 정보 처리에 적합한 기반을 마련하기 위해.
• 단일 칩 상에서 실용적인 응용 분야, 예를 들어 양자 주파수 변환, 광학 압축 및 결정성 얽힘 생성을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 삼중 공진형 합성주파수 생성(SFG)을 최적화하기 위해 1.7 µm 폭과 80 µm 반경을 가진 Z-절단, 주기적으로 폴링된 실리카 인슐레이터 위의 리튬니오브산타니다(LNOI) 마이크로링 공진기의 설계 및 제작.
• 펌프, 신호 및 합성주파수 파장의 모든 상호작용 파장에 대해 강한 과공진을 구현하기 위해 400 nm 상부 폭, 650 nm 갭, 40 µm 길이의 풀리 커플러를 구현하여 광자 추출 효율을 극대화함.
• 3.37 µm 주기와 근접한 50% 듀티 사이클을 가진 주기적 폴링을 통해 효율적인 두 번째 순서 비선형 과정(χ⁽²⁾)을 위한 준위상 일치(QPM)를 실현함. 이는 큰 d₃₃ = 27 pm/V 비선형 수용도를 활용함.
• 전자선 리소그래피와 인덕티브 결합 플라즈마(ICP) 아르곤 이온 밀링을 사용하여 64° 측면 기울기를 가진 고품질, 마이크론 이하의 파장 및 마이크로링 구조를 정밀하게 정의함.
• 에칭 후 1.5 µm 두께의 SiO₂ 캡핑 층을 도포하여 구조를 보호하고 전파 손실을 감소시킴.
• 후각된 염색된 마이크로링 및 방향성 커플러를 시스템 수준의 설계에 통합하여 후각된 염색 생성을 위한 확장 가능한 설계를 실현함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 박막형 리튬니오브산타니다를 사용한 완전히 통합된 칩 내 플랫폼에서 단일 광자 수준에서 초고효율, 저노이즈 광자 변환을 달성할 수 있는가?
• RQ2 최소한의 펌프 파워로 주기적으로 폴링된 마이크로링 공진기에서 합성주파수 생성의 최대 외부 양자 효율은 얼마인가?
• RQ3 칩 스케일 비선형 광학 시스템에서의 내재된 광자-광자 결합 강도와 단일 광자 변환 확률은 얼마인가?
• RQ4 양자 응용의 요구 조건을 충족하기 위해 충분히 낮은 노이즈(예: 100ps 공진기 수명당 < 3×10⁻⁵ 노이즈 광자)를 달성할 수 있는가?
• RQ5 과공진, 삼중 공진, 주기적으로 폴링된 마이크로링 공진기의 통합은 기존 광학 플랫폼 대비 성능을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 장치는 (65 ± 3)%의 외부 양자 효율을 달성하여, 어떤 광학 플랫폼에서도 기존 최고 성능보다 10배 이상 향상된 성능을 보였다.
• 피크 변환 효율에 도달하기 위해 단지 104 ± 4 µW의 펌프 파워가 필요하여, 양자 시스템에 필수적인 저전력 작동을 가능하게 했다.
• 칩 내 노이즈 광자 플럭스는 100ps 공진기 수명당 3×10⁻⁵ 광자로 측정되어, 작은 이격에도 불구하고 근접 양자한계 작동임을 확인했다.
• 단일 광자 변환 확률은 직접 측정하여 10⁻⁵로 이전 기록인 10⁻⁷보다 두 개의 주기만큼 향상되었다.
• 광자-광자 결합 강도는 9.1 MHz(각속도)에 도달하여 단일 광자 수준에서 강한 비선형 상호작용을 가능하게 했다.
• 후각된 염색 생성의 허브링 속도가 약 10 Hz에 가까이 도달하여 확장 가능한 양자 광학 회로를 실현했다.