[论文解读] Self-calibrating Fiber Spectrometer for the Measurement of Broadband Downconverted Photon Pairs

E. Y. Zhu, C. Corbari+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文提出一种自校准光纤光谱仪，可同时测量从周期极化光纤产生的类型-II光子对的宽带联合谱强度（JSI），并实时表征色散光纤线圈的色散特性。通过使用具有锐利边缘的光谱滤波器作为光谱标记，该方法消除了对预先色散校准的需求，实现了在中心波长为1.5 μm、带宽超过100 nm的范围内，高重复率泵浦下的高精度JSI映射。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate a simple method to measure the biphoton joint spectrum by mapping the spectral information onto the temporal domain using a dispersive medium. Various top-hat spectral filters are used to limit the spectral (and hence, temporal) extent of the broadband downconversion photons measured. The sharp edges of the spectral filters are utilized as spectral markers for dispersion characterization of the dispersive medium. This method allows dispersion characterization and joint spectral measurement to be completed simultaneously. The joint spectrum (which extends beyond 100 nm, centered about 1.5 micron) of the type-II downconverted photon pairs generated from a poled optical fiber is obtained with this method.

研究动机与目标

• 消除在用于双光子联合谱强度（JSI）测量的光纤光谱仪中对光纤色散预先校准的需求。
• 实现对周期极化光纤中产生的宽带、光谱相关光子对的高光谱分辨率精确测量。
• 通过光谱滤波限制下转换光子的时间展宽，使高重复率泵浦（81.6 MHz）得以有效使用，避免时间重叠。
• 利用相同的实验装置和数据，同时提取光纤线圈的色散分布函数与光子对源的JSI。
• 为集成或封装系统中量子光源的表征提供一种实用且自洽的方法，尤其适用于缺乏对非线性过程先验知识的情况。

提出的方法

• 该方法利用色散光纤线圈将双光子的光谱信息映射到时间域，其中波长相关的群速度延迟使光子在时间上展宽。
• 使用具有锐利边缘的平顶滤波器限制下转换光子的时间展宽，防止在高泵浦重复率下发生时间重叠。
• 滤波器的锐利起始与截止边缘作为光谱标记，实现无需先验知识的光纤色散同步校准。
• 通过群速度色散关系 Δτ = L·D(λ)·Δλ，从测量得到的光脉冲时间宽度 Δτ 提取色散参数 D(λ)。
• 通过光谱-时间映射的逆变换，从二维符合计数分布 n(ts, ti) 重构联合谱强度（JSI）。
• 采用多个泵浦波长（步长约0.1 nm）和滤波器对，将不同波段的测量结果拼接，形成覆盖120 nm范围的完整JSI调谐曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅利用光源产生的光子对，在无需预先校准的情况下，准确实现光纤线圈色散的原位表征？
• RQ2 如何利用简单、自校准的装置，以高光谱分辨率测量宽带、光谱相关的光子对的联合谱强度？
• RQ3 锐利边缘的光谱滤波器在光纤光谱仪中作为色散校准的可靠光谱标记，其适用程度如何？
• RQ4 在适当光谱滤波条件下，高重复率泵浦（81.6 MHz）是否可在光纤光谱仪中有效使用，而不会产生时间串扰？
• RQ5 是否可能通过单次实验运行和单一光源，同时提取JSI与色散介质的色散分布函数？

主要发现

• 该方法成功测量了周期极化光纤中类型-II下转换光子对的联合谱强度（JSI），测量带宽超过100 nm，中心波长为1.5 μm。
• 利用平顶滤波器的锐利光谱边缘实现了光纤色散的自校准，测量时间宽度的不确定性达到 ±180 ps。
• 在不同泵浦波长下，滤波后光子对的时间展宽 Δτ 在9.77 ns至10.20 ns之间变化，与预期的色散变化一致。
• JSI调谐曲线在信号/闲置波长方向覆盖120 nm范围，在泵浦失谐方向覆盖1 nm范围（Δλp = 0.25 nm），揭示在Δλp = 0.25 nm时带宽最大。
• 该方法无需对非线性过程的先验知识或对光纤线圈的预先校准，即可同时测量JSI与光纤色散。
• 由于通过光谱滤波实现有效的时间门控，该方法对高重复率运行（81.6 MHz）具有鲁棒性，避免了符合堆积效应。