[논문 리뷰] Single-mode quadrature squeezing using dual-pump four-wave mixing in an integrated nanophotonic device

Y. Zhang, M. Menotti외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 26.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이물결합된 마이크로링 공진기에서 이중펌프 4파동 혼합을 이용하여 통합 실리카 질화물 나노광학 칩에서 광대역 단일모드 위상 양자 압축을 구현한다. 보조 공진기를 활용해 잡음 과정을 억제함으로써 저자들은 측정된 1.5 dB의 위상 양자 압축을 달성하였으며, 손실을 고려하지 않은 칩 내 압축은 약 6 dB로 추정된다.

ABSTRACT

We report the generation of broadband single-mode (degenerate) quadrature squeezed vacuum from an integrated nanophotonic device based on two coupled silicon nitride microring resonators. Dual-pump spontaneous four-wave mixing in one microring resonator is exploited to generate squeezed light, while unwanted single-pump parametric fluorescence and Bragg-scattering four-wave mixing processes are suppressed by selectively corrupting individual resonances using a second, auxiliary resonator. Balanced homodyne detection is employed for quadrature measurements, with 1.5 dB of quadrature squeezing directly measured. We infer that approximately 6 dB of squeezing is present on-chip, before collection and detection losses.

연구 동기 및 목표

• 통합 나노광학 플랫폼에서 광대역 단일모드 위상 양자 압축 진공을 생성하기 위해.
• 압축 품질을 떨어뜨리는 해로운 비선형 광방출 및 브라그 산란 4파동 혼합 과정을 억제하기 위해.
• 칩 내에서의 양자 광학 응용에 적합한 고정밀도 위상 양자 압축을 달성하기 위해.
• 최소한의 외부 구성 요소를 사용하는 확장 가능한 칩 통합 솔루션을 통해 비고전적 빛을 생성하기 위해.

제안 방법

• 주된 실리카 질화물 마이크로링 공진기에서 이중펌프 자발적 4파동 혼합(FWM)을 이용해 압축 진공을 생성한다.
• 보조 및 보조적인 마이크로링 공진기를 활용하여 개별 공진선을 선택적으로 이격시켜 단일펌프 비선형 광방출 및 브라그 산란 FWM를 억제한다.
• 측정된 압축된 빛의 위상 진폭을 정밀하게 측정하기 위해 균형형 하모닉 검출을 적용한다.
• 압축 대역폭과 효율을 극대화하기 위해 장치 기하학적 구조와 펌프 파장 설정을 최적화한다.
• 칩 내 모드 매칭 및 위상 안정 검출을 적용하여 측정 노이즈와 손실 영향을 최소화한다.
• 전파 및 검출 손실을 고려하여 이론적 모델을 적용해 칩 내 압축 수준을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 통합된 나노광학 장치에서 광대역 단일모드 위상 양자 압축을 효율적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 원하는 압축 신호의 품질을 떨어뜨리지 않고 잡음 4파동 혼합 과정을 선택적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 공진기 설계 및 펌프 설정을 통해 칩 내 압축을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 칩 크기 시스템에서 최소한의 외부 구성 요소와 손실로 측정 가능한 압축 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 단일 마이크로링 공진기에서 이중펌프 4파동 혼합을 이용해 광대역 구성에서 1.5 dB의 위상 양자 압축을 달성하였다.
• 보조 공진기가 개별 공진선을 선택적으로 손상시켜 단일펌프 비선형 광방출 및 브라그 산란 FWM를 효과적으로 억제하였다.
• 수집 및 검출 손실을 고려하지 않은 칩 내 압축은 약 6 dB로 추정되어 고내재 효율성을 시사한다.
• 균형형 하모닉 검출을 통해 고신호대노이즈비로 위상 진폭을 정밀하게 측정할 수 있었다.
• 시스템은 양자 정보 처리에 적합한 확장 가능한 칩 통합 비고전적 빛 생성을 구현하였다.
• 선택적 모드 공학을 통해 광대역 작동을 유지하면서도 고정밀도의 압축 품질을 확보하였다.