[논문 리뷰] Self-calibrating Fiber Spectrometer for the Measurement of Broadband Downconverted Photon Pairs

E. Y. Zhu, C. Corbari외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 06.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드형 광섬유에서 생성된 유형-II 양자쌍의 광대역 동시스펙트럴강도(JSI)를 동시에 측정하고, 실시간으로 산란 섬유 스풀의 산란 특성을 특성화하는 자기교정형 섬유 스펙트로미터를 제시한다. 날카운 투명한 스펙트럼 필터를 스펙트럼 마커로 사용함으로써 사전 산란 캘리브레이션의 필요성을 제거하여, 1.5 μm 중심의 100 nm 이상 폭의 대역에서 고반복주기 펌프를 사용하여 높은 정확도로 JSI 매핑을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We experimentally demonstrate a simple method to measure the biphoton joint spectrum by mapping the spectral information onto the temporal domain using a dispersive medium. Various top-hat spectral filters are used to limit the spectral (and hence, temporal) extent of the broadband downconversion photons measured. The sharp edges of the spectral filters are utilized as spectral markers for dispersion characterization of the dispersive medium. This method allows dispersion characterization and joint spectral measurement to be completed simultaneously. The joint spectrum (which extends beyond 100 nm, centered about 1.5 micron) of the type-II downconverted photon pairs generated from a poled optical fiber is obtained with this method.

연구 동기 및 목표

• 섬유 스펙트로미터에서 이중광자 동시스펙트럴강도(JSI) 측정에 필요한 사전 캘리브레이션을 제거하기 위해.
• 고스펙트럼 해상도로 다이아몬드형 광섬유에서 유도된 광대역 상관스펙트럼 광자 쌍을 정확하게 측정하기 위해.
• 스펙트럼 필터링을 통해 변환된 광자의 시간적 범위를 제한함으로써 고반복주기 펌프(81.6 MHz)를 사용하면서도 시간적 중첩을 방지하기 위해.
• 동일한 실험 설정과 데이터를 사용하여 섬유 스풀의 산란 프로파일과 광자 쌍 소스의 JSI를 동시에 추출하기 위해.
• 비선형 과정에 대한 사전 지식이 없는 통합 또는 패키지화된 시스템에서 양자광원을 실용적이고 자기일관성 있는 방법으로 특성화하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 파장에 따라 그룹속도 지연이 달라지는 산란 섬유 스풀을 사용하여 이중광자의 스펙트럼 정보를 시간 도메인으로 매핑한다.
• 날카운 상단형 필터를 사용하여 변환된 광자의 시간적 범위를 제한함으로써 고반복주기 펌프에서 시간적 중첩을 방지한다.
• 필터의 날카운 올라감과 내림감 경계가 산란 특성의 동시에 캘리브레이션을 가능하게 하며, 사전 지식이 없어도 된다.
• 산란 매개변수 D(λ)는 그룹속도 산란에서 유도된 관계식 Δτ = L·D(λ)·Δλ를 사용하여 측정된 시간 폭 Δτ로부터 추출된다.
• 이중광자 동시스펙트럴강도(JSI)는 스펙트럼-시간 매핑의 역변환을 사용하여 2차원 공명 히스토그램 n(ts, ti)으로부터 재구성된다.
• 여러 개의 펌프 파장(단위 간격 약 0.1 nm)과 필터 조합을 사용하여 120 nm 범위에 걸쳐 JSI의 종합적인 튜닝 곡선을 조립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산란 섬유 스풀의 산란 특성을 사전 캘리브레이션 없이, 소스가 생성한 광자 쌍만으로 현장에서 정확하게 특성화할 수 있는가?
• RQ2 간단하고 자기교정 가능한 설정을 사용하여 광대역 상관스펙트럼 광자 쌍의 동시스펙트럴강도(JSI)를 고스펙트럼 해상도로 측정할 수 있는가?
• RQ3 날카운 스펙트럼 필터가 섬유 스펙트로미터에서 산란 캘리브레이션을 위한 신뢰할 수 있는 스펙트럼 마커로 기능할 수 있는가?
• RQ4 적절한 스펙트럼 필터링이 이루어진 경우, 고반복주기 펌프(81.6 MHz)를 사용하여 산란 스펙트로미터 설정에서 시간적 교차간섭 없이 효과적으로 작동할 수 있는가?
• RQ5 단일 실험 주기와 단일 소스를 사용하여 동시에 JSI와 산란 매체의 산란 프로파일을 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 다이아몬드형 광섬유에서 생성된 유형-II 변환 광자 쌍의 동시스펙트럴강도(JSI)를 1.5 μm 중심의 100 nm 이상 폭에서 성공적으로 측정하였다.
• 상단형 필터의 날카운 스펙트럼 경계를 사용하여 섬유 산란을 자기교정하였으며, 측정된 시간 폭의 해상도 불확도는 ±180 ps로 도출되었다.
• 다른 펌프 파장에서 측정된 필터링된 광자 쌍의 시간적 범위 Δτ는 9.77 ns에서 10.20 ns 사이로 변동되었으며, 기대되는 산란 변화와 일치하였다.
• JSI 튜닝 곡선은 신호/이드러 파장에서 120 nm 범위와 펌프 이격도(Δλp = 0.25 nm)에서 1 nm 범위로 재구성되었으며, Δλp = 0.25 nm에서 최대 대역폭이 드러났다.
• 이 방법은 비선형 과정에 대한 사전 지식이나 섬유 스풀의 사전 캘리브레이션 없이도 동시에 JSI와 섬유 산란 특성을 측정할 수 있다.
• 효과적인 시간 게이팅을 통해 공명 피크의 중첩을 방지함으로써 고반복주기 작동(81.6 MHz)에 대해 강인한 성능을 보였다.