[논문 리뷰] Proposal for noise-free visible-telecom quantum frequency conversion through third-order sum and difference frequency generation

Xiyuan Lu, Grégory Moille외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 14.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 34인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 나이ไน드 마이크로링 공진기에서 1990 nm 펌프를 사용하여 세차 차수의 합/차수 주파수 생성(TSFG/TDFG)을 제안하여 606 nm(가시광선)와 1550 nm(통신 대역) 사이의 노이즈 없는 양자 주파수 변환을 달성한다. 이 방법은 펌프와 신호/아이들 주파수 간의 스펙트럼 겹침을 피함으로써 기존의 χ(2) 및 χ(3) 방법의 핵심 한계를 극복하며, 50 mW 펌프 전력에서 80% 이상의 높은 효율을 달성하는 고효율, 저노이즈 변환을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum frequency conversion (QFC) between the visible and telecom is a key functionality to connect quantum memories over long distances in fiber-based quantum networks. Current QFC methods for linking such widely-separated frequencies, such as sum/difference frequency generation and four-wave mixing Bragg scattering, are prone to broadband noise from the pump laser(s). To address this issue, we propose to use third-order sum/difference frequency generation (TSFG/TDFG) for an upconversion/downconversion QFC interface. In this process, two pump photons combine their energy and momentum to mediate frequency conversion across visible and telecom bands, bridging a large spectral gap with long-wavelength pump pho-tons, which is particularly beneficial from the noise perspective. We show that waveguide-coupled silicon nitride microring resonators can be designed for efficient QFC between 606 nm and 1550 nm via a 1990 nm pump through TSFG/TDFG. We simulate the device dispersion and coupling, and from the simulated parameters estimate that the frequency conversion can be efficient (>80 %) at 50 mW pump power. Our results suggest that microresonator-based TSFG/TDFG is promising for compact, scalable, and low power QFC across large spectral gaps.

연구 동기 및 목표

• 가시광선과 통신 대역 간의 큰 스펙트럼 갭이 존재하는 기존의 양자 주파수 변환(QFC) 방법에서 발생하는 넓은 대역의 펌프 유도 노이즈 문제를 해결한다.
• χ(2) 및 χ(3) 과정에서 펌프 노이즈가 신호 및 아이들 주파수와 스펙트럼적으로 겹쳐져 광자 통계를 악화시키는 한계를 극복한다.
• 단일 단계, 소형화 및 확장 가능한 플랫폼을 사용하여 606 nm와 1550 nm 사이의 고효율, 저노이즈 QFC를 가능하게 한다.
• 1990 nm 펌프 파장에서 TSFG/TDFG를 최적화하기 위해 설계된 웨이브가이드 커플링 실리콘 나이ไnite 마이크로링 공진기를 설계한다.
• 낮은 펌프 전력(50 mW)과 최소한의 노이즈로 80% 이상의 변환 효율을 달성하는 것이 가능함을 실험적으로 입증한다.

제안 방법

• 606 nm에서 1550 nm까지의 스펙트럼 갭을 메우기 위해 1990 nm의 비분리 인프라레드 펌프를 사용한 세차 차수의 합/차수 주파수 생성(TSFG/TDFG)을 활용한다.
• 주파수 일치 조건인 ωv = ωt + 2ωp를 적용한다. 여기서 ωv, ωt, ωp는 각각 가시광선, 통신 대역, 펌프 주파수를 의미한다.
• TSFG/TDFG 과정의 위상 일치를 위해 디스pers션과 커플링을 조절한 실리콘 나이ไnite 마이크로링 공진기를 설계한다.
• 군속도 디스퍼션, 모드 오버랩, 커플링 효율 등의 장치 파라미터를 시뮬레이션하여 변환 효율을 최적화한다.
• 고효율로 주파수 변환된 신호를 추출하기 위해 웨이브가이드 커플링을 활용한다.
• 펌프가 입력 및 출력 신호와 스펙트럼적으로 구별되도록 하여 라만 및 형광 노이즈를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세차 차수의 합/차수 주파수 생성(TSFG/TDFG)이 가시광선 및 통신 대역 간에 노이즈 없는 양자 주파수 변환을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 장파장 펌프를 사용한 단일 단계, 소형 마이크로공진기 플랫폼에서 높은 변환 효율(80% 이상)을 달성할 수 있는가?
• RQ3 웨이브가이드 커플링 실리콘 나이ไnite 마이크로링 공진기를 어떻게 설계하여 1990 nm 펌프에서 606 nm에서 1550 nm로의 변환에 대해 위상 일치된 TSFG/TDFG를 지원할 수 있는가?
• RQ4 큰 갭 QFC에서 펌프 스펙트럼 위치가 노이즈 생성에 미치는 영향은 무엇이며, TSFG/TDFG는 펌프 유도 노이즈를 제거할 수 있는가?
• RQ5 오크타브 스펙트럼 이동에 대해 기존의 χ(2) 및 χ(3) QFC 기법에 비해 노이즈와 효율 측면에서 본 논문의 방법이 우월한가?

주요 결과

• 제안된 TSFG/TDFG 과정은 펌프(1990 nm)가 606 nm 신호 및 1550 nm 아이들 주파수와 스펙트럼적으로 구별되도록 하여, 라만 및 형광 노이즈를 방지함으로써 노이즈 없는 양자 주파수 변환을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과, 웨이브가이드 커플링 실리콘 나이ไnite 마이크로링 공진기를 사용하면 1990 nm 펌프를 이용해 606 nm에서 1550 nm로의 변환에서 80% 이상의 변환 효율을 달성할 수 있음을 입증하였다.
• 단지 50 mW의 펌프 전력으로도 효율적인 변환이 가능하여 저전력 작동이 실현 가능함을 시사한다.
• 좁은 대역 스펙트럼 필터링이나 다단계 변환의 필요성을 피함으로써 시스템 설계를 단순화한다.
• 설계는 확장 가능하며 통합 광학 플랫폼과 호환되어 소형, 칩 통합 QFC 인터페이스를 가능하게 한다.
• 기존 QFC 방법의 근본적인 한계인 펌프 노이즈가 신호 및 아이들 주파수와 겹쳐져 오크타브 스펙트럼 이동에서 특히 문제가 되는 점을 이 방법이 극복한다.