[论文解读] Characterization of an asynchronous source of heralded single photons generated at a wavelength of 1550 nm

Maria Tengner, Daniel Ljunggren|ArXiv.org|Jun 20, 2007

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

该论文通过在周期极化 KTiOPO4 晶体中利用自发参量下转换，对 1550 nm 波段的异步赫拉德单光子源进行了详细表征。通过分析探测器门控周期、光子速率和光纤耦合效率，作者展示了高度亚泊松统计特性，$ g^{(2)}(0) = 0.0235 \pm 0.0005 $，表明多光子事件被强烈抑制，并实现了 48% 的单光子在光纤模式中的赫拉德效率。

ABSTRACT

We make a thorough analysis of heralded single photon sources regarding how factors such as the detector gate-period, the photon rates, the fiber coupling efficiencies, and the system losses affect the performance of the source. In the course of this we give a detailed description of how to determine fiber coupling efficiencies from experimentally measurable quantities. We show that asynchronous sources perform, under most conditions, better than synchronous sources with respect to multiphoton events, but only for nearly perfect coupling efficiencies. We apply the theory to an asynchronous source of heralded single photons based on spontaneous parametric downconversion in a periodically poled, bulk, KTiOPO4 crystal. The source generates light with highly non-degenerate wavelengths of 810 nm and 1550 nm, where the 810 nm photons are used to announce the presence of the 1550 nm photons inside a single-mode optical fiber. For our setup we find the probability of having a 1550 nm photon present in the single-mode fiber, as announced by the 810 nm photon, to be 48%. The probability of multiphoton events is strongly suppressed compared to a Poissonian light source, giving highly sub-Poisson photon statistics.

研究动机与目标

• 开发一种全面的实验方法，用于表征异步赫拉德单光子源（HSPS）的光子速率、耦合效率和系统损耗。
• 从实验可测物理量（如探测到的光子速率、探测器效率和暗计数）中确定光纤耦合效率。
• 比较异步（连续波泵浦）与同步（脉冲泵浦）HSPS 在多光子抑制和光子统计特性方面的性能差异。
• 量化探测器门控周期和赫拉德速率对光子数统计特性（尤其是 $ g^{(2)}(0) $）的影响。
• 在考虑非理想耦合效率等实际实验条件的情况下，验证光子统计理论模型的准确性。

提出的方法

• 作者推导出一个理论框架，将实验可测参数（如探测到的光子速率、探测器效率、暗计数和门控周期）与 HSPS 中的真实光子速率和耦合效率联系起来。
• 提出一种方法，通过条件符合测量和探测器响应函数提取单光子和成对光子的耦合效率（$ \gamma_s $、$ \gamma_i $、$ \gamma_c $）。
• 计算并测量二阶自相关函数 $ g^{(2)}(0) $ 以评估光子统计特性，并对探测器效率和系统损耗进行校正。
• 推导出理论曲线，表示 $ g^{(2)}(0) $ 随 $ b_0 = \Delta t_{\text{gate}} R_0 $ 的变化关系，对比理想（完美耦合）与非理想（现实情况）情形。
• 实验数据通过使用连续波泵浦的 SPDC 源在周期极化 KTiOPO4 晶体中采集，其中 810 nm 光子用于赫拉德 1550 nm 光子并耦合至单模光纤。
• 分析考虑了光子成对发射的相关性，并利用测量到的条件符合事件推断单光子存在和多光子事件的概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 探测器门控周期、光子速率和光纤耦合效率如何共同影响异步赫拉德单光子源的性能？
• RQ2 在 HSPS 中，从实验可测物理量中提取光纤耦合效率的最准确方法是什么？
• RQ3 与同步 HSPS（脉冲泵浦）相比，异步 HSPS（连续波泵浦）在多光子抑制方面的光子统计特性如何？
• RQ4 非理想耦合效率在多大程度上会削弱异步（泊松分布）源相对于同步（热辐射）源的优势？
• RQ5 在考虑损耗和探测器不完善性的情况下，$ g^{(2)}(0) $ 是否仍可作为 HSPS 性能的可靠指标？

主要发现

• 赫拉德单光子源实现了 48% 的概率，即在 810 nm 光子的提示下，1550 nm 光子存在于单模光纤中，对应于条件符合速率为 $ \mu_{\text{i}|\text{s}} = 48\% $。
• 测得的二阶自相关函数为 $ g^{(2)}(0) = 0.0235 \pm 0.0005 $，表明具有高度亚泊松统计特性，且多光子事件被强烈抑制。
• 每门控周期内恰好存在一个赫拉德光子的概率为 $ P(1) = 0.483 \pm 0.003 $，而存在两个或更多光子的概率仅为 $ P_{m \geq 2} = 0.0028 \pm 0.00002 $。
• 理论建模表明，当耦合效率低于单位值时，异步（连续波泵浦）源在光子统计特性方面相对于同步（脉冲泵浦）源的优势将丧失，导致在实际条件下两者性能基本等价。
• 研究证实，仅当 $ g^{(2)}(0) $ 对平均每门控周期的偶然光子数 $ b $ 进行归一化后，该参数才可作为有效指标，因为其对速率和门控周期均敏感。
• 实验测得的耦合效率为：信号光（1550 nm）的 $ \gamma_s = 40\% $，闲频光（810 nm）的 $ \gamma_i = 71\% $，成对光子的 $ \gamma_c = 31\% $，且 $ P^{\text{cor}} = R_c / R_s < 1 $，表明相关效率非理想。