[논문 리뷰] Single Photon Detection Using Optical Heterodyne Interferometry

Zachary Bush, Simon Barke외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 11.

Optical Polarization and Ellipsometry인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 광학 이형간섭측정을 사용하여 극도로 약한 광신호를 감지하는 일관된 감지 기법을 제시하며, 단일 광자 수준의 감도를 달성한다. 알려진 신호 주파수를 활용함으로써 시스템은 1초당 11개 광자의 수준에서 전장을 측정하고, 1시간당 1개 광자에 이르는 신호를 감지할 수 있으며, 이는 어둠마터 물질 탐지에 응용될 수 있다.

ABSTRACT

We detail and explore the application of heterodyne interferometry for a weak field coherent detection scheme. Planned use in a current dark matter search experiment sets specification goals to accurately measure fields on the order of 1 photon per week. While such extremely weak signals are virtually impossible to measure using conventional means, by knowing its exact frequency, coherent detection can be made. Initial results of successful generation and measurement of a signal with a field strength on the order of 11 photons per second are presented. Results also demonstrate that this system is easily capable of detecting signals as weak as 1 photon per hour.

연구 동기 및 목표

• 1주일당 1개 광자 수준의 광장을 측정할 수 있는 일관된 감지 방법을 개발하는 것.
• 기존 기술로는 측정이 불가능한 초저출력 광신호를 감지하는 데 도전하는 것.
• 어둠마터 물질 탐색 실험 맥락에서 이형간섭측정의 약한 필드 감지 가능성을 검증하는 것.
• 고주파수 정밀도를 갖춘 단일 광자 수준의 신호 감지를 실험적으로 입증하는 것.

제안 방법

• 시스템은 알려진 정밀한 주파수를 갖는 강한 국소오실레이터와 약한 신호장을 혼합하는 광학 이형간섭측정을 사용한다.
• 국소오실레이터 주파수를 신호 주파수와 일치시켜 锁정함으로써 위상에 민감한 증폭을 통해 감도를 향상시켜 일관된 감지를 가능하게 한다.
• 신호와 국소오실레이터 간의 비트 신호는 하향변환되어 고대역폭 광검출기 및 전자처리 장치를 통해 측정된다.
• 신호 강도는 비트 신호의 전력에 시간을 따라 적분하여 평균 광자 유량을 결정함으로써 정량화된다.
• 시스템은 11개 광자/초 수준의 전장을 측정할 수 있도록 校정되었으며, 이론적으로는 1개 광자/시간까지 확장 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 이형간섭측정은 어둠마터 물질 실험에 필요한 충분한 정밀도로 단일 광자 수준의 광장을 감지할 수 있는가?
• RQ2 알려진 주파수를 갖는 일관된 감지 기법을 사용할 때 얻을 수 있는 최소 감지 가능한 신호 전력은 얼마인가?
• RQ3 특히 1초당 1개 이하 광자 수준에서 실질적인 조건에서 약한 필드 감지에 대해 시스템의 성능은 어떠한가?
• RQ4 시스템은 얼마나 정밀하게 1시간당 1개 광자 수준의 신호를 해상할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 11개 광자/초의 전장 강도를 성공적으로 생성하고 측정하여 개념 증명을 달성했다.
• 시스템은 1시간당 1개 광자 수준까지 감도를 확보하여 초약한 신호 감지의 가능성을 확인했다.
• 이형간섭측정을 통한 일관된 감지 기법은 기존 감지 방법의 한계 이하의 신호를 측정할 수 있도록 했다.
• 시스템의 성능은 감도의 한계가 아니라 통합 시간과 신호대잡음비 고려 사항에 의해 제한되며, 기본적인 양자 한계는 아니다.