Un sistema fotonico per generare fotoni incondizionati di polarizzazione- basati su interferenze quantistiche multiple

Presentiamo un sistema fotonico ad alte prestazioni che sfrutta l'effetto di interferenza quantistica multipla per produrre fotoni liberi impigliati dalla polarizzazione, degenerati e post-selezione ad alta velocità di emissione con una grande distribuzione a banda larga. Il nostro approccio utilizza un processo di interferenza più inverso di Hong-Ou-Mandel per produrre fotoni impigliati in polarizzazione con un'efficienza di alta generazione e una separazione affidabile delle coppie di fotoni degenerati in diverse modalità ottiche senza post-selezione. Per iniziare, accendi un diodo laser e imposta la potenza su alcuni milliwatt.

Si prega di una griglia olografica con un angolo di circa 45 gradi rispetto alla superficie del diodo laser e regolare l'angolo fino a quando l'intensità del fascio sembra essere massimizzata. Successivamente, accoppiare il laser a una fibra ottica che mantiene la polarizzazione. Dirigere la fibra verso un misuratore di potenza e regolare le viti dell'accoppiatore per massimizzare la potenza di uscita.

Dirigere il laser attraverso un isolatore a spazio libero. Quindi, posizionare una piastra a mezza onda e una piastra a quarto d'onda per una luce di 405 nanometri nel percorso del fascio. Impostate gli angoli della piastra per ottenere lo stato di polarizzazione del fascio desiderato.

Quindi, posizionare uno specchio dicroico passa corto e un cubo beam-splitter polarizzante nel percorso del fascio. Utilizzate uno specchio regolare per dirigere il fascio polarizzato s riflesso parallelo al fascio p-polarizzato trasmesso. Posizionare un cristallo ppKTP di tipo zero su una piattaforma a temperatura controllata, montata sul percorso della trave.

Regolare la piattaforma fino a quando le travi divise passano attraverso il cristallo. Quindi, regolare lo splitter del fascio e gli specchi fino a quando sia le travi polarizzate s-che p sono parallele per alcuni metri. Utilizzare sia il laser a pompa da 405 nanometri che un laser di riferimento da 810 nanometri per questa regolazione.

Successivamente, montare una piastra a mezz'onda a doppia onda su entrambi i lati del cristallo ppKTP, perpendicolare alla luce incidente. La piastra a mezza onda tra lo splitter del fascio e il cristallo è stata impostata a 22,5 gradi e l'altra piastra a 45 gradi in anticipo. Quindi, posizionare un retroriflettore alla fine dell'impostazione per dirigere le travi convertite verso il basso attraverso il cristallo ppKTP e la piastra a mezza onda di 22,5 gradi.

Posizionare la piastra a mezz'onda di 45 gradi in modo che solo il fascio in entrata riflesso dallo splitter del fascio e il fascio in uscita dall'altro lato passino attraverso di essa. Assicurarsi che entrambe le travi in uscita siano dirette nello splitter del fascio per generare i fasci di fotoni in senso orario e antiorario. Posizionare i profiloi del fascio della telecamera CCD in linea con i fasci di fotoni in uscita.

Regolare gli specchi e il retroriflettore in modo che le coppie di travi in senso orario e antiorario si trovano negli stessi modi spaziali. Quindi, montare una lente di messa a fuoco di 300 millimetri tra la piastra a quarto d'onda e lo specchio dicroico. Posizionare l'obiettivo in modo che il punto focale del raggio laser della pompa sia intorno alla posizione di generazione del secondo fotone verso il basso conversione nel cristallo ppKTP.

Rimuovere i profiloi del fascio e posizionare una piastra a quarto d'onda, un polarizzatore a griglia di filo e un filtro di interferenza nel percorso di ogni fascio di uscita. Abbina le travi a fibre multimodale con una lente collimatore. Posizionare una lente di messa a fuoco di 300 millimetri prima di ogni piastra a quarto d'onda e mettere a fuoco i fasci di uscita sui collimatori.

Quindi, collegare le fibre multimodale ai moduli di conteggio dei fotoni singoli che utilizzano fotodiodi a valanga di silicio. Una volta che la configurazione è stata completamente assemblata, spegnere il laser di riferimento e ricollegare il laser a diodi. Spegnere le luci della stanza ed escludere tutta la luce esterna.

Quindi, attiva i moduli di conteggio e conta i fotoni convertiti verso il basso. Quindi, regolare la temperatura del cristallo ppKTP e l'angolo di inclinazione della piastra a mezza onda di 45 gradi per migliorare la velocità di conteggio dei fotoni convertiti verso il basso. Ripetere le misurazioni e le regolazioni fino a massimizzare la velocità di conteggio.

Prima della misurazione, impostare gli angoli delle piastre a quarto d'onda e dei polarizzatori per i fasci di uscita per raggiungere la base di polarizzazione desiderata per la misurazione. Quindi, collegare il modulo di conteggio dei fotoni singoli del fascio di uscita riflesso dal specchio dicroico all'ingresso del segnale iniziale di un convertitore time-to-amplitude. Collegare l'altro fascio all'ingresso del segnale di arresto tramite una linea di ritardo elettrico.

Impostare il tempo di ritardo su 50 nanosecondi e l'intervallo di tempo visualizzato su 100 nanosecondi. Aprire il software dello strumento, impostare il tempo di misurazione su 30 secondi e avviare la misurazione. Al termine della misurazione, registrare la distribuzione dell'altezza dell'impulso.

Ripetere la misurazione con diverse combinazioni di basi di polarizzazione e identificare un intervallo di tempo di coincidenza in base alla risoluzione temporale dei moduli di conteggio. Per ogni misurazione, integrare l'area sotto il picco entro la finestra di tempo di coincidenza per stimare i conteggi delle coincidenze. Calcola i parametri fidelity e Bell per confermare che il sistema sta generando fotoni impigliati in polarizzazione.

L'analisi delle misurazioni del rilevamento delle coincidenze da sei combinazioni di basi di polarizzazione ha confermato che il sistema poteva generare e rilevare fotoni impigliati dalla polarizzazione. La fedeltà dell'entanglement era di 0,85, superando il limite di correlazione locale classico di 0,5. Le correlazioni dalle basi della polarizzazione superavano tutte il limite di parametri classico di due, violando la disuguaglianza di Bell.

Il nostro metodo consente la separazione libera post-selezione delle coppie di fotoni degenerati in diversi modi ottici caratteristici della conversione parametrica parametrica spontanea di tipo due, mantenendo la grande larghezza di banda e l'elevata efficienza della conversione parametrica parametrica spontanea di tipo zero. Questo metodo di utilizzo di più processi di interferenza quantistica è utile anche per l'applicazione di fotoni impigliati attraverso l'emissione stimolata di conversione parametrica spontanea verso il basso. Grazie alla semplicità del nostro schema, possiamo migliorare ulteriormente l'efficienza della generazione di fotoni impigliati dalla polarizzazione modificando il pompaggio laser a impulsi e le strutture della guida d'onda in cristalli non lineari.

Possiamo anche generare fotoni nella banda delle lunghezze d'onda teoriche cambiando il periodo di poling del cristallo. La nostra tecnica migliora il tasso di produzione totale della coppia di fotoni per unità di potenza della pompa di due o tre ordini di grandezza, grazie alla grande larghezza di banda di conversione parametrica parametrica spontanea di tipo zero. Una grande larghezza di banda di coppie di fotoni correlati dà un tempo di coincidenza molto breve, che ha attirato una notevole attenzione per l'uso nella tomografia a coerenza ottica quantistica e in molte altre applicazioni.