80 Channel Photon Pair Source from a Thin-Film Lithium Niobate Racetrack Microresonator

기술 요약: 박막 리튬 니오베이트 레이스트랙 마이크로공진기를 이용한 80 채널 광자 쌍 소스

문제 정의
자발적 매개 하향 변환(SPDC) 및 자발적 사광파 혼합(SFWM)을 활용하는 나노광학 플랫폼은 양자 키 분배(QKD), 양자 텔레포테이션, 양자 이미징과 같은 양자 응용 분야의 기초가 된다. 공진기(resonant cavities)는 비선형 상호작용을 강화하고 자연적인 스펙트럼 필터링을 제공하지만, 이러한 플랫폼을 기반으로 하는 기존의 광자 쌍 소스는 사용 가능한 광자 쌍 채널의 수에서 종종 제한을 받는다. 이러한 제한은 다중화(multiplexing)와 다중 채널 접근을 통해 용량, 신뢰성 및 고차원 얽힘을 크게 높일 수 있는 양자 정보 처리, 통신 및 센싱 시스템의 확장성을 저해한다.

방법론
저자들은 X-cut 박막 리튬 니오베이트(TFLN) 레이스트랙 마이크로공진기를 사용하여 다채널 광자 쌍 소스를 개발하였다. 장치 설계 및 제작에는 다음의 주요 단계가 포함되었다:

• 재료 스택: Si 기판 위의 2 μm SiO2 클래딩 위에 600 nm 두께의 5% MgO 도핑된 X-cut LN 층을 배치하였다. MgO 도핑은 광학적 손상에 대한 저항성을 높이기 위해 채택되었다.
• 공진기 설계: 장치는 총 길이가 2668 μm인 마이크로레이스트랙 공진기 구조를 가진다. SPDC를 가능하게 하기 위해 한 직선 구간(0.7 mm)은 4.767 μm의 주기로 주기적 분극(periodically poled) 처리가 되었다.
• 결합 엔지니어링: 버스 도파로(bus waveguide)는 0.7 μm 간격으로 15 μm 길이에 걸쳐 공진기에 결합된다. 생성된 광자 쌍이 버스 도파로로 탈출하는 효율을 극대화하기 위해, 텔레콤 파장에서 "과결합(overcoupled)"되도록(외부 품질 계수 $Q_e <$ 고유 품질 계수 $Q_i$) 설계되었다.
• 제작: 제작 공정에는 전극 패턴 형성을 위한 직접 쓰기 리소그래피, Au/Cr의 전자빔 증착, 고전압 분극, 전극 습식 식각, 도파로 정의를 위한 HSQ 레지스트를 이용한 전자빔 리소그래피, 350 nm의 LN을 제거하기 위한 반응성 이온 식각(Ar 가스), 그리고 PECVD SiO2 클래딩이 포함되었다. 최종 단계에는 다이싱, 클리빙, 반사 방지 코팅 및 500°C에서의 어닐링이 포함되었다.
• 특성 분석 설정: 장치는 780 nm 근처의 가시광선으로 펌핑되었다. 상용 웨이브셰이퍼(Finisar WaveShaper 4000A)를 사용하여 특정 신호-아이들러 채널 쌍을 선택하였다. 검출은 타임 태거(time tagger)에 연결된 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)를 사용하여 수행되었다. 비퇴화(non-degenerate) 쌍에 대해서는 교차 상관(cross-correlation)을, 퇴화(degenerate) 쌍 및 허 lded(heralded) 단일 광자에 대해서는 자기 상관(auto-correlation) 측정을 수행하였다.

주요 기여 및 결과

• 80개의 측정된 채널: 주요 성과는 광학 C 및 L 밴드에 걸쳐 80개의 광자 쌍 채널을 구현한 것이다. 이는 현재까지 이러한 소스에서 입증된 가장 많은 수의 채널이다. 각 채널의 주파수 간격은 4면 밀집 파장 분할 다중화(DWDM)와 호환되는 49.5 GHz이다.
• 높은 광자 쌍 생성률(PGR): 공진기의 탈출 효율($\eta_{esc} = 85\%$)을 고려했을 때, 이 소스는 9번째 채널에서 125.7 kHz/μW의 광자 쌍 생성률을 달성하였다. 80개 채널 전체의 평균 온칩 생성률은 83.5 kHz/μW였으며, 19번째 채널에서는 238.8 kHz/μW의 피크를 기록하였다.
• 높은 동시 계수 대 우연 계수비(CAR): 시스템은 357 nW의 온칩 펌프 전력에서 37,004 ± 2,496의 CAR를 보여주었다.
• 허 lded 단일 광자 동작: 저자들은 허 lded 단일 광자 소스로서의 기능을 검증하였다. 허 lded 자기 상관 함수 $g^{(2)}_h(0)$를 측정함으로써, 2.2 mW의 온칩 펌프 전력에서 0.0544 ± 0.0054의 값을 얻었으며, 이는 강력한 광자 반축퇴(anti-bunching)를 나타낸다.
• 열적 상태 검증: 허 lded 되지 않은 단일 광자(쌍 중 하나)의 자기 상관은 $g^{(2)}_{auto}(0)$ 값이 2.173 ± 0.015을 기록하였으며, 이는 SPDC 생성 광자의 기대되는 열적 통계 특성을 확인시켜 준다.
• 장치 성능: 장치는 텔레콤 파장에서 $1.8 \times 10^6$의 고유 품질 계수($Q_i$)와 $3.3 \times 10^5$의 외부 품질 계수($Q_e$)를 나타냈으며, 이는 앞서 언급한 높은 탈출 효율을 뒷받침한다.

의의 및 주장
본 논문은 이러한 결과가 X-cut TFLN이 확장 가능한 양자 광학 응용 분야를 위한 견고한 플랫폼임을 입증한다고 주장한다. 이 연구는 마이크로공진기의 낮은 자유 스펙트럼 범위(FSR)와 주기적 분극 영역의 넓은 위상 정합 대역폭을 활용하여 채널 가용성의 한계를 해결한다.

저자들은 X-cut TFLN이 광자 쌍 생성과 저손실, 고성능 전기 광학(EO) 변조를 위한 성숙한 플랫폼을 결합함으로써 독특한 이점을 제공한다고 강조한다. 이러한 통합은 동일한 칩 상에서 광자 쌍을 조작할 수 있게 하며, 이는 양자 정보 처리, 통신 및 센싱 응용 분야에 매우 중요하다. 이 소스가 다른 플랫폼(예: InGaP)에 비해 펌프 전력당 PGR이 가장 밝지는 않지만, 저자들은 경쟁력 있는 생성률과 전례 없는 80개 채널이라는 숫자를 결합하여 이것이 다중화된 양자 시스템을 위한 중요한 진전이라고 주장한다.