[论文解读] Engineered optical nonlinearity for a quantum light source

Agata M. Brańczyk, Alessandro Fedrizzi+2 more|Queensland's institutional digital repository (The University of Queensland)|May 18, 2010

Photonic and Optical Devices被引用 3

一句话总结

本文提出通过调控周期极化 KTP 晶体的非线性分布，以塑造自发参量下转换产生的光子对的联合谱振幅，实现无需改变相位匹配条件的高斯相位匹配函数。该方法通过定制非线性分布消除 sinc 函数旁瓣，从而实现高纯度、光谱无关的单光子，经由两光子干涉实验与数值模拟验证，联合谱振幅呈可分形式。

ABSTRACT

Single-photon pairs created in the nonlinear process of spontaneous parametric downconversion form the backbone of fundamental and applied experimental quantum information science. Many applications benefit from careful spectral shaping of the single-photon wave-packets. In this paper we tailor the joint spectral wave-function of downconverted photons by modulating the nonlinearity of a poled crystal without affecting the phase-matching conditions. We designed a crystal with a Gaussian nonlinearity profile and confirmed successful wave-packet shaping by two-photon interference experiments. We numerically show how our method can be applied for attaining one of the currently most important goals of single-photon quantum optics, the creation of pure single photons without spectral correlations.

研究动机与目标

• 为克服标准周期极化晶体中因 sinc 形相位匹配函数导致的光谱关联问题。
• 通过在源端整形联合谱振幅，消除生成高纯度单光子所需的光谱滤波。
• 展示一种利用准相位匹配晶体中定制非线性分布实现可分、光谱纯净单光子态的方法。
• 通过两光子干涉实验与联合谱振幅工程的数值模拟，验证该方法。

提出的方法

• 通过使用高阶极化技术，在离散区域中调节有效非线性，设计具有非均匀、近似高斯非线性分布的晶体。
• 利用非线性分布 χ(z) 的傅里叶变换来整形相位匹配函数 Φ(ωi, ωs)，目标为高斯形式 ΦG(ΔkL/2) = exp(−γ(ΔkL/2)²)。
• 采用波长为 μp 的单色泵浦，将联合谱振幅隔离为 f(ωi, ωs) ∝ α(ωi+ωs)Φ(ωi, ωs)，其中 α 为狄拉克函数。
• 通过不同极化阶数 m 和占空比的离散畴极化，实现期望的非线性，近似连续高斯分布。
• 通过基本模型与详细模型对比结果，验证方法有效性，将所得相位匹配函数与理想高斯函数和标准 sinc 函数进行比较。
• 将群速度匹配与工程化非线性结合，实现可分的联合谱振幅，从而在无需滤波的情况下产生纯净的单光子态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过调节非线性分布而不改变极化周期，将周期极化晶体的相位匹配函数工程为高斯形状？
• RQ2 高斯相位匹配函数是否能消除光谱旁瓣，从而降低光子对的光谱关联？
• RQ3 能否通过非线性工程使联合谱振幅可分，从而实现高纯度的后选单光子？
• RQ4 对连续高斯非线性分布的离散近似在多大程度上影响最终的相位匹配函数？
• RQ5 该方法能否扩展至生成其他形状的相位匹配函数，如三角形或顶帽形？

主要发现

• 定制极化的 KTP 晶体具有非均匀非线性分布，成功生成与目标高斯形状高度匹配的相位匹配函数，经与理论结果及标准 ppKTP 晶体对比验证。
• 由于二维高斯函数的旋转对称性，联合谱振幅变为可分形式，f(ωi, ωs) = g(ωi)h(ωs)，从而实现光谱无关的光子。
• 数值模拟表明，该工程化晶体设计实现了无旁瓣的联合谱振幅，而标准 ppKTP 晶体因具有 sinc 形相位匹配函数而存在旁瓣。
• 两光子干涉实验验证了波包整形的成功，显示高可见度干涉，与设计的光谱分布一致。
• 该方法可在无需光谱滤波的情况下生成高纯度单光子，因为导致必须滤波的旁瓣已被高斯相位匹配函数消除。
• 通过相应地调节非线性分布，该方法可扩展至生成其他形状的相位匹配函数，如三角形和顶帽形。