[论文解读] Proposal for noise-free visible-telecom quantum frequency conversion through third-order sum and difference frequency generation

Xiyuan Lu, Grégory Moille+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 34被引用 10

一句话总结

本文提出在氮化硅微环谐振器中使用1990 nm泵浦光实现三阶和频/差频生成（TSFG/TDFG），以在606 nm（可见光）与1550 nm（通信波段）之间实现无噪声的量子频率转换。该方法通过避免泵浦光与信号光/闲频光之间的光谱重叠，克服了现有χ(2)和χ(3)方法的关键限制，实现了高效、低噪声的转换（在50 mW泵浦功率下效率超过80%）。

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.

研究动机与目标

• 解决现有量子频率转换（QFC）方法在可见光与通信波段之间存在大光谱间隙时，宽带泵浦引起的噪声问题。
• 克服χ(2)和χ(3)过程的局限性，即泵浦噪声与信号光和闲频光在光谱上重叠，导致光子统计特性退化。
• 利用单级、紧凑且可扩展的平台，实现606 nm与1550 nm之间高效、低噪声的QFC。
• 设计波导耦合的氮化硅微环谐振器，使其在1990 nm泵浦波长下优化支持TSFG/TDFG。
• 实现以低泵浦功率（50 mW）和极低噪声实现超过80%的转换效率。

提出的方法

• 利用波长为1990 nm的简并红外泵浦光实现三阶和频/差频生成（TSFG/TDFG），以填补606 nm至1550 nm的光谱间隙。
• 应用频率匹配条件 ωv = ωt + 2ωp，其中 ωv、ωt 和 ωp 分别为可见光、通信波段和泵浦光的频率。
• 设计具有定制色散特性和耦合特性的氮化硅微环谐振器，以实现TSFG/TDFG过程的相位匹配。
• 通过仿真优化群速度色散、模场重叠和耦合效率等器件参数，以提升转换效率。
• 利用波导耦合高效提取频率转换后的信号光。
• 确保泵浦光在光谱上与输入和输出信号均明显分离，从而最小化拉曼噪声和荧光噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 三阶和频/差频生成（TSFG/TDFG）是否能够实现可见光与通信波段之间的无噪声量子频率转换？
• RQ2 是否可能在单级、紧凑的微谐振器平台上，利用长波长泵浦光实现高转换效率（>80%）？
• RQ3 如何设计波导耦合的氮化硅微环谐振器，使其在1990 nm泵浦波长下支持606 nm至1550 nm转换的相位匹配TSFG/TDFG？
• RQ4 泵浦光谱位置对大间隙QFC中噪声生成的影响是什么？TSFG/TDFG能否消除泵浦光引起的噪声？
• RQ5 在跨越八度频程的频率变换中，该方法是否能在噪声和效率方面优于现有的χ(2)和χ(3) QFC技术？

主要发现

• 所提出的TSFG/TDFG过程通过确保1990 nm泵浦光与606 nm信号光和1550 nm闲频光在光谱上完全分离，实现了无噪声的量子频率转换，避免了拉曼噪声和荧光噪声。
• 仿真结果表明，波导耦合的氮化硅微环谐振器可实现使用1990 nm泵浦光将606 nm光转换为1550 nm光的转换效率超过80%。
• 仅需50 mW的泵浦功率即可实现高效转换，表明低功耗运行是可行的。
• 该方法避免了对窄带光谱滤波或多级转换的需求，简化了系统设计。
• 该设计具备可扩展性，兼容集成光子平台，可实现紧凑、芯片级集成的QFC接口。
• 该方法克服了现有QFC方法的根本局限性：即泵浦噪声与信号光和闲频光在光谱上重叠，尤其在八度频程转换中表现显著。