양자

npj Quantum Information 8권, 기사 번호: 58(2022) 이 기사 인용

1367 액세스

3 인용

측정항목 세부정보

고전력 광섬유에서 단일 모드 작동을 형성하려면 이득-중간 광학 특성에 대한 정확한 지식이 필요합니다. 이를 위해서는 섬유의 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이(Δn)를 정밀하게 측정해야 합니다. 우리는 광대역 에너지-시간 얽힌 광자를 사용하여 굴절률 차이의 실제 측정을 수행하기 위해 낮은 일관성 Hong-Ou-Mandel 간섭계를 기반으로 하는 양자 광학 방법을 활용합니다. 이 방법으로 달성된 정밀도 향상은 단일 광자 간섭계를 기반으로 하는 고전적인 방법으로 벤치마킹되었습니다. 우리는 이미 보고된 고전적 방법과 비교하여 고전적 방식에서 정밀도가 몇 배나 향상되었음을 보여줍니다. 놀랍게도 양자 체제에서 우리는 정밀도 향상에 대한 추가 요소 4를 보여 6 × 10-7의 최첨단 Δn 정밀도를 나타냅니다. 이 연구는 양자 포토닉스 계측을 광 증폭 전용 재료의 더 빠르고 안정적인 설계를 가능하게 하는 강력한 특성화 도구로 설정합니다.

광섬유 광원은 높은 평균 출력, 탁월한 빔 품질, 단일 및 다중 패스 이득, 민첩성1 측면에서 뛰어난 성능으로 인해 포토닉스 분야의 핵심 성장 기술 중 하나입니다. 그들은 예를 들어 생의학 분야, 산업 재료 가공 분야의 기존 과학 및 산업 응용 분야에 혁명을 일으켰을 뿐만 아니라 계측 및 이미징과 같은 새로운 응용 분야도 시작했습니다2,3. 파이버 레이저 개발은 고출력 전파를 가능하게 하기 위해 맞춤형 도파관 설계와 저손실 광학 재료 합성 간의 보완적인 접근 방식에 의존합니다. 도파관 엔지니어링에 많은 노력을 기울여 미세구조 VLMA(Very Large Area Mode Fiber)와 같은 특수 섬유 아키텍처를 개발했습니다. 광학 재료 역시 헌신적인 엔지니어링 작업6,7을 통해 큰 주목을 받았습니다. 그러나 지난 10년 동안의 발전에도 불구하고 광학 재료 특성을 정확하게 특성화할 수 있는 실험 방법은 여전히 ​​부족합니다. 눈에 띄는 예는 VLMA 섬유의 경우입니다. 제작의 초석은 코어와 도파관의 클래딩을 구성하는 두 가지 재료 사이의 굴절률 차이 Δn에 대한 정확한 지식에 있습니다. 이는 대형 코어 내에서 단일 모드 작동을 보장하기 위해 10-5보다 낮아야 합니다. 섬유5. 연관된 정밀도는 최소한 한 자릿수 낮아야 합니다(예: ~10−6). 불행하게도 OCT(Optical Coherence Tomography)를 기반으로 한 최첨단 정밀 성과는 주로 색분산으로 인해 10−4 8,9,10으로 제한됩니다.

본 논문에서는 고전적 방법에 비해 4배 향상된 6×10-7까지의 정밀도로 Δn을 측정할 수 있는 양자 OCT 기반의 실험 방법을 소개합니다. 이는 낮은 일관성의 에너지-시간 얽힌 광자를 공급하는 HOM(Hong-Ou-Mandel) 유형 간섭계를 활용하는 것으로 구성됩니다. 단일 광자 기반 실험과 비교하여 양자 이중 광자 상태를 활용하면 두 가지 주요 이점이 나타납니다12,13: (i) 장비의 해상도는 에너지 상관 관계로 인한 분산 취소 덕분에 샘플의 짝수 분산에 의해 영향을 받지 않습니다. (ii) ) 테스트 중인 샘플(SUT)의 손실에 대한 견고성 강화14. 향상된 정밀도 외에도 이 접근 방식은 SUT와 독립적이므로 보편적이고 다양한 광학 특성 측정이 가능합니다.

HOM 간섭계는 양자 광학11의 기본 개념으로, 양자 순간 이동 및 얽힘 교환17,18의 핵심인 구별할 수 없는 광자의 측정과 특히 관련이 있습니다. 또한 HOM 효과는 향상된 위상 감지 기반 양자 계측에 널리 사용되는 상태 클래스인 경로 얽힌 2광자 N00N 상태를 생성하는 데 활용되었습니다. 여기에는 현미경20, 재료 특성 측정15, 의료 및 생물학적 감지21이 포함됩니다. 이러한 응용 분야의 일반적인 개념은 정밀한 Δn 측정에 필요한 상대 시간 지연을 정확하게 결정하는 것입니다. 현재까지 HOM 효과를 사용하여 가장 정밀한 시간 지연 측정을 얻기 위한 주요 요소는 다음과 같습니다. i) 간섭계의 안정성을 크게 돕는 동시에 복굴절 샘플에만 적용을 제한하는 공통 경로 형상 , 및 ii) 단일 광자의 일관성 길이(<100 μm)를 초과하지 않는 매우 짧은 샘플의 사용.