KR101960425B1 - 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 펌프 광을 조사하는 광원; 및 상기 펌프 광으로부터 자발적 매개 하향 변환(spontaneous parametric down-conversion)에 의해 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 사냑 간섭계(Sagnag interferometer)를 포함하는, 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치를 제공한다.

Description

편광-얽힘 광자쌍 생성 장치 및 그 방법 {APPARATUS FOR GENERATING POLARIZATION-ENTANGLED PHOTON PAIR AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
양자 정보 기술(quantum information technology)은 양자 통신(quantum communication), 양자 컴퓨팅(quantum computing), 그리고 양자 정밀 계측(quantum metrology) 등으로 분류할 수 있다. 그중에서도 양자 통신은 실용화가 가장 먼저 이루어질 것으로 예상되는 기술 분야로 기대하고 있다. 광자기반 양자 정보 기술에서 가장 핵심적인 역할을 하는 것은 단일광자 및 얽힘 광원 생성 기술, 제어 기술 및 측정 기술이다.
상관된 광자의 생성과 응용, 그리고 이러한 광자들의 중첩으로 구현할 수 있는 다양한 양자 얽힘 상태(quantum entangled states)는 고전 물리학과는 구별되는 양자역학의 근본적인 특성을 연구하는 학문적인 관점에서의 관심뿐만 아니라, 최근에 광자, 원자, 반도체 등 다양한 시스템을 이용한 양자광학 및 광자기반 양자 정보 기술(photonic quantum information technology) 분야 실험에서 많은 관심을 받고 있고, 또한 실제로 많이 이용되고 있다.
양자 정보 기술은 양자키분배(quantum key distribution, QKD) 기술로 대표되는 양자 통신 분야와 양자역학의 원리를 바탕으로 고전적인 계산 속도의 한계를 뛰어 넘는 전산을 가능하게 하는 기술인 양자컴퓨터 기술, 그리고 고전적인 분해능의 한계를 넘어서는 초정밀 측정 및 이미징을 가능하게 하는 양자 측정 기술 등을 포함한다.
얽힘 광자쌍 광원은 양자역학의 기본적인 특성인 중첩의 원리를 바탕으로 한다. 광학적으로는 이러한 중첩의 원리를 이용하여 얽힘 상태를 직접적으로 생성할 수 있고, 얽힘 광자쌍 광원을 광자기반 양자 정보 기술에 중요한 광원으로 활용할 수 있다.
얽힘 광자쌍을 생성하는 기술은 양자통신의 실용화, 양자컴퓨터 개발의 필요성 등이 전 세계적으로 관심이 집중되면서 많은 관심을 받고 있다. 양자정보 분야의 활성화와 더불어 편광-얽힘 광자쌍 생성의 중요성 및 필요성이 대두대면서, 최근에는 편광-얽힘 광자쌍 생성이기의 실용화를 위해 소형화, 모듈화 및 안정화를 위해 많은 일을 진행하고 있다. 소형화되고 안정적이며 고효율의 편광-얽힘 광자쌍 생성 기술 개발은 필수적이며, 양자산업 경쟁력 확보에 반드시 필요하다. 하지만 통신파장 대역의 안정적이고 효율적인 편광-얽힘 광자쌍 생성이기 개발은 충분히 이루어지지 않고 있다.
따라서, 편광-얽힘 광자쌍을 발생시키는데 필요한 장비를 소형화하고 효율성을 높이며, 그 노이즈를 제거할 필요가 있다. 또한, 통신파장 대역의 편광-얽힘 광자쌍 생성을 위한 연구도 부진하여 소형화 및 안정화가 필요하다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라할 수는 없다.
국내 공개특허공보 제10-2009-0046516호
본 발명의 목적은 사냑 간섭계(Sagnag Interferometer)를 활용하여 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 사냑 간섭계를 활용하여 통신 파장 대역의 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 펌프 광을 조사하는 광원; 및 상기 펌프 광으로부터 자발적 매개 하향 변환(spontaneous parametric down-conversion)에 의해 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 사냑 간섭계(Sagnag interferometer)를 포함하는, 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치를 제공한다
이때, 상기 사냑 간섭계는 수평 펌프 광과 수직 펌프 광을 자발적 매개 하향 변환에 의해 광자쌍들로 변환하는 비선형 결정; 및 상기 펌프 광을 상기 수평 펌프 광과 상기 수직 펌프 광으로 분류하고, 상기 광자쌍들을 편광 방향에 따라 제1 공간모드와 제2 공간모드로 분리하고, 각각의 공간모드에서 광자쌍들을 중첩시키는 편광 빔 분할기(polarization beam splitter)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 비선형 결정은 주기적인 분극반전 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 비선형 결정은 주기적 분극반전 니오브산리튬(peoridically poled lithium niobate) 결정일 수 있다.
이때, 상기 사냑 간섭계는 상기 수직 펌프 광을 수평 편광으로 변화시키고, 상기 수평 펌프 광이 상기 비선형 결정을 통과하면서 생성된 제1 광자쌍의 편광 방향을 90도만큼 변화시키는 반파장판(half-wave plate)을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 비선형 결정은 상기 수평 펌프 광을 통과시키면서 상기 제1 광자쌍으로 변환하고, 상기 반파장판을 통과한 수직 펌프 광을 통과시키면서 제2 광자쌍으로 변환할 수 있다.
이때, 상기 비선형 결정은 제0 형의 준위상 정합(quasi-phase matching) 결정일 수 있다
이때, 상기 비선형 결정은 상기 제1 광자쌍과 상기 제2 광자쌍 각각을 공간적으로 분리시킬 수 있다.
이때, 상기 편광 빔 분할기는 이색 편광 빔 분할기(dichroic polarization beam splitter)이고, 상기 반파장판은 이색 반파장판(dichroic half-wave plate)일 수 있다.
이때, 상기 펌프 광에 대하여 반파장판 및 사분파장판(quarter-wave plate) 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 전처리하는 전처리부; 및 상기 편광-얽힘 광자쌍에 대하여 반파장판, 사분파장판 및 편광자(polarizer) 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 후처리하는 후처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는, 광원에서 펌프 광을 조사하는 단계; 및 사냑 간섭계(Sagnag interferometer)에서 상기 펌프 광으로부터 자발적 매개 하향 변환(spontaneous parametric down-conversion)에 의해 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 단계를 포함하는, 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법을 제공한다
이때, 상기 광자쌍을 생성하는 단계는 편광 빔 분할기(polarization beam splitter)가 상기 펌프 광을 수평 펌프 광과 수직 펌프 광으로 분류하는 단계; 비선형 결정이 상기 수평 펌프 광과 상기 수직 펌프 광을 자발적 매개 하향 변환에 의해 광자쌍들로 변환하는 단계; 상기 편광 빔 분할기가 상기 광자쌍들을 편광 방향에 따라 제1 공간모드와 제2 공간모드로 분리하고, 각각의 공간모드에서 광자쌍들을 중첩시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 비선형 결정은 주기적인 분극반전 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 비선형 결정은 주기적 분극반전 니오브산리튬(peoridically poled lithium niobate) 결정일 수 있다.
이때, 상기 광자쌍을 생성하는 단계는 반파장판(half-wave plate)이 상기 수직 펌프 광을 수평 편광으로 변화시키고, 상기 수평 펌프 광이 상기 비선형 결정을 통과하면서 생성된 제1 광자쌍의 편광 방향을 90도만큼 변화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 광자쌍들로 변환하는 단계는 상기 비선형 결정이 상기 수평 펌프 광을 통과시키면서 상기 제1 광자쌍으로 변환하고, 상기 반파장판을 통과한 수직 펌프 광을 통과시키면서 제2 광자쌍으로 변환할 수 있다.
이때, 상기 비선형 결정은 제0 형의 준위상 정합(quasi-phase matching) 결정일 수 있다.
이때, 상기 광자쌍들로 변환하는 단계는 상기 제1 광자쌍과 상기 제2 광자쌍 각각을 공간적으로 분리시킬 수 있다.
이때, 상기 편광 빔 분할기는 이색 편광 빔 분할기(dichroic polarization beam splitter)이고, 상기 반파장판은 이색 반파장판(dichroic half-wave plate)일 수 있다.
이때, 상기 펌프 광에 대하여 반파장판 및 사분파장판(quarter-wave plate) 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 전처리하는 단계; 및 상기 편광-얽힘 광자쌍에 대하여 반파장판, 사분파장판 및 편광자(polarizer) 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 후처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 사냑 간섭계를 활용하여 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 장치 및 그 방법에 의해 편광-얽힘 광자쌍을 생성할 때 필요한 도구를 소형화하고, 편광-얽힘 광자쌍 생성 과정에 안정성을 제공할 수 있다.
또한, 사냑 간섭계를 활용하여 통신 파장 대역의 편광-얽힘 광자쌍을 생성함으로써, 현재 존재하는 광통신망을 활용하는 광원으로 이용할 수 있다.
도 1은 양자 정보 기술의 관련 연구 분야의 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 양자 정보 기술에서 얽힘 광자쌍 광원을 활용하는 응용 분야의 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치의 일 예를 나타낸 블록도이다.
도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치에서 광자쌍이 생성되는 원리를 설명하는 도면이다.
도 8 및 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치의 구조 및 광자쌍을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치가 도 8 및 9에 도시된 사냑 간섭계를 이용하여 광자쌍을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치의 구조 및 광자쌍을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치의 구조 및 광자쌍을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 전처리부의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 12에 도시된 후처리부의 일 예를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성되어 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는한 복수의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 양자 정보 기술의 관련 연구 분야의 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 양자 정보 기술은 양자 통신(Quantum Communication), 양자 정밀 계측(Quantum Metrology) 및 양자 컴퓨팅(Quantum Computation) 등을 포함한다.
그리고 양자 통신은 암호 기술로써 키 분배 기술 등을 포함한다. 양자 정밀 분석은 리소그래피(Lithography), 이미징 기술 등을 포함한다. 양자 컴퓨팅은 원격전송(Teleportation), 알고리즘, 게이트 기술 등을 포함한다.
도 2는 양자 정보 기술에서 얽힘 광자쌍 광원을 활용하는 응용 분야의 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 얽김 광자쌍 광원을 이용하여 양자 역학에 대한 연구, 양자 통신, 양자 컴퓨팅, 양자 정밀 계측 등에 활용이 가능하다.
얽힘 광자쌍 광원은 양자역학의 기본적인 특성인 중첩의 원리를 바탕으로 하는데, 특히 광학적으로는 이러한 중첩의 원리를 이용하여 얽힘 상태를 직접적으로 생성할 수 있고, 광자기반 양자 정보 기술에 중요한 광원으로 활용할 수 있다.
얽힘 상태는 둘 이상의 입자들의 중첩된 상태를 표현한다. 하나의 입자가 어떤 상태에 있게 되면 다른 하나의 입자의 상태는 양자역학적인 상관관계에 의해 특정한 상태로 결정되는 특성을 갖고 있다. 1993년 IBM 연구소의 Charles Bennett과 동료 연구자들이 얽힘 상태를 이용하면 스타트랙과 같은 공상 과학 드라마에서나 가능했던 원격전송 혹은 순간이동이 가능하다는 연구결과를 발표한 후에 양자컴퓨터, 양자통신 등을 포함하는 양자정보통신분야 및 양자역학을 이용하는 정밀측정 분야에서 얽힘 상태의 생성, 제어 및 측정은 핵심적인 역할을 하고 있다.
본 발명은 사냑 간섭계(Sagnag interferometer)와 자발적 매개 하향 변환(spontaneous parametric down-conversion; SPDC)을 이용하여 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 기술에 관한 것이다. 이렇게 생성된 광원은 효율적이고 안정적이므로, 양자정보 및 양자통신 분야의 중요한 광원으로 활용될 수 있다. 또한, 본 발명은 소형화, 모듈화 및 안정화를 위한 중요한 기반 기술이 될 수 있다.
자발적 매개 하향 변환은 레이저에서 방출되는 빔과 비선형 광학(nonlinear optics)을 이용하여 광학적 매개 하향 변환 과정에서 얽힘 상태의 광자쌍을 발생시키는 방법이다. 광자쌍 생성 장치는 1980년대 중반부터 1990년도 초기까지 주로 전통적인 광학 이론으로 설명되지 않는 빛의 간섭 현상을 규명하기 위한 순수 학문적인 실험에서 유용한 광원으로 이용되었다. 그리고, 1990년도 후반부터 현재까지 양자정보 및 정밀측정 분야뿐만 아니라 양자컴퓨터를 구성하는 게이트의 실험적인 구현, 완벽한 보안통신을 위한 양자키분배의 실험적 증명, 고전적인 한계를 뛰어넘는 분해능을 갖는 정밀측정의 가능성을 보여주는 등 양자역학의 실제적인 응용을 위한 연구들이 많이 수행되었다. 하지만 이러한 대부분의 연구들은 실험실 환경에서 광학테이블 위에서 거대한 레이저 장치와 복잡한 간섭계, 그리고 수많은 측정 장비들을 동원하여 수행되어왔다. 또한 양자정보 및 양자통신 연구용 실험 장치 중 얽힘 광자쌍 생성이기가 매우 중요한 역할을 하므로 안정적인 광원을 준비하고 초기 셋업을 구성하는데 너무 많은 시간과 자원을 소모하는 문제점을 가진다.
종래 연구에 활용되고 있는 광원은 대부분 가시광 대역(400 ~ 1000nm)을 활용하고 있어서 현재 통신망에서 활용하고 있는 통신 파장 대역(1350 ~ 1550nm)에 활용하기에 부적절하다. 가시광 영역의 광원은 광섬유를 통과할 때, 파장에 따른 손실이 많아서 통신 광원으로 활용하기에 부적절하다. 특히 양자통신분야에서는 현재 존재하는 광통신망을 활용하기 위해 통신파장 대역의 얽힘 광원 개발을 주도하고 있지만 소형화와 안정화가 쉽게 이루어지지 않고 있다.
일부 연구에서는 사냑 간섭계를 활용하여 안정성을 높이기 위해 노력을 기울이고 있지만, 광원과 얽힘 광원이 같은 경로로 진행하여 노이즈 성분이 많이 생긴다. 따라서, 얽힘 광자쌍 광원으로 활용하기 위해서는 추가적인 노력들이 필요한 단점들이 존재한다.
또한, 새로운 광원을 생성하고 최적화하여 다양한 연구에 활용하고 있다. 그 중에 대표적인 연구는 소형화된 얽힘 광원을 생성하는 기술개발을 시도하거나, 좀 더 안정적으로 광원을 이용하기 위한 기술들을 개발하고 있다. 따라서 효율이 높은 얽힘 상태 양자 광원의 개발뿐만 아니라 소형화되고 안정적으로 동작하는 광원의 개발은 중요한 일이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 시스템(1)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 시스템(1)에서 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)는 광자쌍 수용 장치(200)와 상호 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)는 광원이 펌프 광을 조사하고, 사냑 간섭계가 펌프 광을 받아들여 자발적 매개 하향 변환에 의해 편광-얽힘 광자쌍을 생성한다.
이때, 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)는 통신 파장 대역의 편광-얽힘 광자쌍을 생성할 수 있다.
광자쌍 수용 장치(200)는 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)에서 생성된 얽힘 광자쌍을 수용하고, 수용한 광자쌍을 검출하거나 이용한다.
예컨대, 광자쌍 수용 장치(200)는 광자쌍을 이용하는 양자 컴퓨터를 포함할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)의 일 예를 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)는 광원(110), 사냑 간섭계(120) 등을 포함한다.
상세히, 광원(110)은 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는데 이용될 펌프 광 또는 펌프 빔을 사냑 간섭계(120)으로 조사한다.
이때, 광원(110)는 일정한 파장의 레이저를 조사하는 레이저 발생 장치로 구성될 수 있다.
이때, 광원(110)은 펌프 광의 파장이 775nm가 되도록 할 수 있다.
사냑 간섭계(120)는 광원(110)에서 조사된 펌프 광을 받아들여 자발적 매개 하향 변환에 의해 편광-얽힘 광자쌍을 생성한다. 여기서, 사냑 간섭계(120)는 동일한 광로를 서로 역방향으로 진행하는 두 광선이 간섭하도록 만들어진 간섭계를 의미한다. 예컨대, 사냑 간섭계(120)는 반사 거울과 하프 미러(half-mirror)를 조합시킨 광학계에 의해 실현할 수 있다.
이때, 사냑 간섭계(120)는 편광 빔 분할기(polarization beam splitter; 121), 비선형 결정(nonlinear crystal; 122) 및 반파장판(half-wave plate; 123) 등을 포함할 수 있다.
여기서, 편광 빔 분할기(121)는 입사된 펌프 광을 수직 편광 성분을 갖는 수직 펌프 광과 수평 편광 성분을 갖는 수평 펌프 광으로 분리한다. 즉, 편광 빔 분할기(121)는 사냑 간섭계(120)에서 광자쌍을 생성하기 위하여 펌프 광을 1쌍의 수직 펌프 광과 수평 펌프 광으로 분리하는 역할을 한다.
이때, 편광 빔 분할기(121)는 수평 펌프 광은 투과시키고, 수직 펌프 광은 반사시킬 수 있다.
이때, 편광 빔 분할기(121)는 비선형 결정(122)를 통과하여 수직 펌프 광으로부터 생성된 광자쌍과 수평 펌프 광으로부터 생성된 광자쌍을 편광 방향에 따라 분리시키고, 동일한 공간모드에 위치하는 분리된 광자쌍들을 중첩시켜 편광-얽힘 광자쌍을 생성할 수 있다. 이와 관련된 구체적인 설명은 후술한다.
이때, 편광 빔 분할기(121)는 입사된 광선의 파장에 따라 반사와 투과의 특성을 달리하는 이색 편광 빔 분할기(dichroic polarization beam splitter)일 수 있다.
비선형 결정(122)은 비선형 매질(nonlinear media)로, 자발적 매개 하향 변환에 의해 상기 수평 펌프 광과 상기 수직 펌프 광으로부터 광자쌍을 생성한다.
이때, 비선형 결정(122)은 주기적인 분극반전 구조(periodically poled structure)를 가질 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)은 주기적 분극반전 니오브산리튬(peoridically poled lithium niobate; PPLN) 결정일 수 있다. 여기서, 니오브산리튬(LiNbO3) 강유전성 물질이다. 이를 통해, 높은 비선형 효과, 좁은 스펙트럼 폭을 갖는 광자쌍 광원을 구성할 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)은 제0 형의 준위상 정합 결정일 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)은 생성하는 광자쌍들을 각각 공간적으로 분리시킬 수 있다.
이때, PPLN은 준위상 정합(quasi-phase matching; QPM)을 통해 상관관계가 매우 높은 광자쌍을 생성할 수 있다. 준위상 정합이란 강유전성 매질의 분극방향 (polarity)을 주기적으로 바꾸어 줌으로써, 매질 내에서 비선형 효과에 따른 위상속도 분산의 보상을 통하여 위상정합을 이루는 방법이다. 특히 PPLN은 강유전성 물질인 LiNbO3의 강유전분역(ferroelectric domain)을 주기적으로 반전시켜 제작된 것이다. PPLN의 온도에 따른 굴절률의 변화와 주어진 격자의 주기를 이용하여 파장 변환에 필요한 위상 정합을 얻을 수 있다. 주기적인 격자 주기를 갖고 있는 PPLN은 입사하는 광선의 상호작용 길이를 길게 할 수 있다. 또한, PPLN은 위상 정합을 얻기 위한 비선형 계수값이 상대적으로 크기 때문에 파장변환 소자로서 높은 효율을 가질 수 있다.
일반적으로 PPLN의 collinear(출력 각도 0도로 방출) 준위상정합 조건은 하기 수학식 1 및 수학식 2와 같이 주어진다.
[수학식 1]
Figure 112017089351783-pat00001
[수학식 2]
Figure 112017089351783-pat00002
여기서, kp, ks, ki는 각각 펌프 빔, 시그널(signal) 빔, 아이들러(idler) 빔의 파수를 나타내고, Λg는 PPLN의 격자 주기를 나타낸다. 상기 수학식 1 및 수학식 2는 파장과 온도에 의존하는 Sellmeir 방정식에서 굴절률 n(λ, T)를 이용하여 하기 수학식 3과 같이 바꿀 수 있다. 여기서, Sellmeier 방정식은 특정 투과성 매질에서 파장과 굴절률 간의 경험적 관계를 나타낸다.
[수학식 3]
Figure 112017089351783-pat00003
결과적으로 펌프 빔, 시그널 빔 그리고 아이들러 빔의 파장, PPLN의 격자 주기, 그리고 PPLN의 온도(T)를 활용하여 위상 정합 조건을 찾을 수 있다.
PPLN을 이용한 준위상 정합에서 제0 형의 위상정합은 ep→es+ei 의 과정이다. 여기서 e는 이상 광선(extraordinary ray)이다. 즉, PPLN의 분극 방향과 평행한 편광을 갖는 펌프 빔(ep)이 PPLN을 통과하여 펌프광의 편광방향과 동일한 편광을 갖는 자발적 매개 하향 변환 광자들(es, ei)이 생성된다.
그리고 온도와 파장에 따른 이상 광선의 굴절률은 하기 수학식 4와 같이 주어질 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017089351783-pat00004
여기서, ai는 MgO가 5% 첨가된 CLN(congruent LiNbO3)에 대한 Sellmeier 계수이고, f는 하기 수학식 5와 같이 주어질 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112017089351783-pat00005
반파장판(123)은 이를 통과하는 빛에 대하여 위상 지연을 통해 편광방향을 90도 변화시킨다.
이때, 반파장판(123)은 편광 빔 분할기(121)로부터 분리된 수직 펌프 광을 수평 편광으로 변화시키고, 편광 빔 분할기(121)로부터 분리된 수평 펌프 광이 비선형 결정(122)을 통과하면서 생성된 광자쌍의 편광 방향을 90도 변화시킬 수 있다. 이와 관련된 구체적인 설명은 후술한다.
이때, 반파장판(123)은 입사된 광선의 파장에 따라 편광 방향 변환 특성을 달리하는 이색 반파장판(dichroic half-wave plate)일 수 있다.
도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)에서 광자쌍이 생성되는 원리를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 비선형 결정(122)에 펌프 광이 입사되면, 펌프 광의 일부가 상대적으로 낮은 진동수의 한 쌍의 광자들(시그널 광자, 아이들러 광자)로 변환되는 자발 매개 하향 변환이 일어난다.
도 6 및 7에 나타낸 바와 같이, 비선형 매질(122) 내에서 펌프 광과 하향 변환된 광자들 사이에는 하기 수학식 6 및 7과 같이 운동량 보존 법칙(momentum conservation)과 에너지 보존 법칙(energy conservation)이 만족된다.
[수학식 6]
Figure 112017089351783-pat00006
[수학식 7]
Figure 112017089351783-pat00007
여기서, KPUMP는 펌프 광의 운동량, Ks는 시그널 광자의 운동량, Ki는 아이들러 광자의 운동량이고, ωPUMP는 펌프 광의 에너지, ωs는 시그널 광자의 에너지, ωi는 아이들러 광자의 에너지이다.
이러한 관계에 따라 비선형 결정(122)에서 생성된 광자쌍은 운동량과 진동수가 서로 연관되어 있다. 따라서, 시그널 광자가 특정 진동수와 파수 벡터를 갖고 발생하면, 이에 대응하는 진동수와 파수 벡터를 가지는 아이들러 광자가 반드시 발생하게 된다.
이때, 비선형 결정(122)에서 발생한 시그널 광자와 아이들러 광자는 편광-얽힘 상태(polarization entangled state)를 이룰 수 있고, 이러한 상태는 하기 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112017089351783-pat00008
여기서, |H>는 수평 편광 상태를 의미하고, |V>는 수직 편광 상태를 의미한다.
도 8 및 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)의 구조 및 광자쌍을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
상세히, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)에서 수평 편광 방향을 갖는 펌프 광이 사냑 간섭계(도 4의 120 참조)에 입사되었을 때의 모습을 나타내고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)에서 수직 편광 방향을 갖는 펌프 광이 사냑 간섭계(도 4의 120 참조)에 입사되었을 때의 모습을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)는 사냑 간섭계에 편광 빔 분할기(121), 비선형 결정(122), 반파장판(123), 이색 거울(124a) 및 거울(124b) 등을 포함한다.
상세히, 수평 편광 방향을 갖는 수평 펌프 광(8a)이 사냑 간섭계로 입사되면 이색 거울(dichroic mirror; 124a)에서 반사되어 편광 빔 분할기(121)에 입사한다. 이색 거울(124a)은 입사되는 광선의 파장에 따라 투과 및 반사의 특성이 변하는 거울이다. 본 발명의 일 실시예에서 이색 거울(124a)은 펌프 광(8a)은 반사시키되 생성된 광자쌍(8b)은 투과시키는 성질을 가질 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서는 편광 빔 분할기(121)는 입사된 펌프 광의 수평 편광 방향 광선은 투과시키고, 수직 편광 방향 광선은 반사시키는 성질을 가질 수 있다. 따라서, 수평 펌프 광(8a)은 편광 빔 분할기(121)를 통과하고, 거울(124b)에서 반사되어 비선형 결정(122)으로 입사된다. 즉, 도 8에서는 펌프 광이 반시계 방향으로 진행하게 된다.
이때, 비선형 결정(122)은 주기적 분극반전 구조를 가질 수 있고, 특히 주기적 분극반전 니오브산리튬(PPLN) 결정일 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)은 제2 형의 비선형 결정일 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)으로 입사된 수평 펌프 광(8a)은 비선형 결정(122)을 통과하면서 |Hs>|Vi>의 서로 직교하는 편광을 갖는 광자쌍이 되고, 거울(124b)에서 반사되어 반파장판(123)을 통과하여 편광 방향이 90도 회전하여 |Vs>|Hi>의 서로 직교하는 편광을 갖는 광자쌍이 될 수 있다.
이때, 반파장판(123)을 통과하여 생성된 |Vs>|Hi>의 서로 직교하는 편광을 갖는 광자쌍은 편광 빔 분할기(121)에 입사하며, |Vs>의 수직 편광 방향의 광자(8b)는 편광 빔 분할기(121)에서 반사하여 제1 공간모드로 진행하고, |Hi>의 수평 편광 방향의 광자(8c)는 편광 빔 분할기(121)를 투과하여 제2 공간모드로 진행할 수 있다. 즉, 생성된 광자쌍은 편광 빔 분할기(121)에 의하여 공간적으로 서로 분리된다.
이때, 수직 편광 방향의 광자(8b)는 이색 거울(124a)의 특성에 따라 반사되지 않고 투과할 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 사냑 간섭계(도 4의 120 참조)는 편광 빔 분할기(121), 비선형 결정(122), 반파장판(123), 이색 거울(124a) 및 거울(124b) 등을 포함한다.
상세히, 수직 편광 방향을 갖는 수직 펌프 광(9a)이 사냑 간섭계로 입사되면 이색 거울(124a)에서 반사되어 편광 빔 분할기(121)에 입사한다. 이색 거울(124a)은 입사되는 광선의 파장에 따라 투과 및 반사의 특성이 변하는 거울이다. 본 발명의 일 실시예에서 이색 거울(124a)은 펌프 광(9a)은 반사시키되 생성된 광자쌍(9b)은 투과시키는 성질을 가질 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서는 편광 빔 분할기(121)는 입사된 펌프 광의 수평 편광 방향 광선은 투과시키고, 수직 편광 방향 광선은 반사시키는 성질을 가질 수 있다. 따라서, 수직 펌프 광(9a)은 편광 빔 분할기(121)에서 반사하고, 반파장판(123)을 통과하여 편광 방향이 90도 회전하여 수평 편광 방향을 갖게 될 수 있다. 그리고, 수평 편광 방향을 갖게된 펌프 광은 거울(124b)에서 반사되어 비선형 결정(122)으로 입사된다. 즉, 도 9에서는 펌프 광이 시계 방향으로 진행하게 된다.
이때, 비선형 결정(122)은 주기적 분극반전 구조를 가질 수 있고, 특히 주기적 분극반전 니오브산리튬 결정일 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)은 제2 형의 비선형 결정일 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)으로 입사된 수직 펌프 광(9a)은 비선형 결정(122)을 통과하면서 |Hs>|Vi>의 서로 직교하는 편광을 갖는 광자쌍이 되고, 거울(124b)에서 반사되어 편광 빔 분할기(121)로 입사할 수 있다.
이때, 거울(124b)에서 반사된 |Hs>|Vi>의 서로 직교하는 편광을 갖는 광자쌍은 편광 빔 분할기(121)에 입사하며, |Vi>의 수직 편광 방향의 광자(9c)는 편광 빔 분할기(121)에서 반사하여 제2 공간모드로 진행하고, |Hs>의 수평 편광 방향의 광자(9b)는 편광 빔 분할기(121)를 투과하여 제1 공간모드로 진행할 수 있다. 즉, 생성된 광자쌍은 편광 빔 분할기(121)에 의하여 공간적으로 서로 분리된다.
이때, 수평 편광 방향의 광자(9b)는 이색 거울(124a)의 특성에 따라 반사되지 않고 투과할 수 있다.
현재 도 8 및 9에서는 반파장판(123)이 시계 방향 경로를 기준으로 비선형 결정(122)보다 먼저 위치하도록 구성되어 있지만, 구성하기에 따라서 반파장판(123)이 시계 방향 경로를 기준으로 비선형 결정(122)보다 뒤에 위치하도록 구성할 수 있다.
즉, 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 수평 펌프 광(8a)은 제1 공간모드(도 8 및 9의 우측 방향)에서 수직 편광 방향의 광자(8b)가 되고, 제2 공간모드(도 8 및 9의 상측 방향)에서 수평 편광 방향의 광자(8c)가 된다. 그리고 수직 펌프 광(9a)은 제1 공간모드에서 수평 편광 방향의 광자(9b)가 되고, 제2 공간모드에서 수직 편광 방향의 광자(9c)가 된다. 따라서, 광원(도 4의 110 참조)에서 펌프 광이 입사되는 경우에는 편광 빔 분할기(121)에서 각 공간모드로 진행하는 광자들끼리 중첩되게 된다.
이렇게 생성된 편광-얽힘 광자쌍 광원은 능동적인 위상 안정화 방법을 도입하지 않고도 위상을 장시간동안 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 사냑 간섭계는 시계 방향과 반시계 방향으로 진행하는 두 광선이 동일한 광학계를 공유하기 때문에 간섭계를 모듈화하기가 용이하고 외부 환경 변화에 대해 매우 안정적이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)가 도 8 및 9에 도시된 사냑 간섭계를 이용하여 광자쌍을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)는 광원(110)에서 조사된 펌프 광(10a)이 도 8 및 9에 도시된 사냑 간섭계로 입사되면 이색 거울(124a)에서 반사되어 편광 빔 분할기(121)에 입사한다. 이색 거울(124a)은 입사되는 광선의 파장에 따라 투과 및 반사의 특성이 변하는 거울이다. 본 발명의 일 실시예에서 이색 거울(124a)은 펌프 광(10a)은 반사시키되 생성된 광자쌍(10b)은 투과시키는 성질을 가질 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서는 편광 빔 분할기(121)는 입사된 펌프 광의 수평 편광 방향 광선은 투과시키고, 수직 편광 방향 광선은 반사시키는 성질을 가질 수 있다. 따라서, 입사된 펌프 광(10a)에서 수직 편광 방향의 수직 펌프 광은 편광 빔 분할기(121)에서 반사되고, 수평 편광 방향의 수평 펌프 광은 편광 빔 분할기(121)를 투과할 수 있다. 즉, 도 10에서 수평 펌프 광은 반시계 방향으로 진행하여 도 8과 대응되고, 수직 펌프 광은 시계 방향으로 진행하여 도 9와 대응된다.
이때, 편광 빔 분할기(121)는 이색 편광 빔 분할기이고, 반파장판(123)은 이색 반파장판일 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)은 제2 형의 비선형 결정일 수 있다.
광원(110)에서 방사되어 사냑 간섭계에 입사하는 펌프 광(10a)의 편광 상태가
Figure 112017089351783-pat00009
이고, 펌프 광(10a)이 이색 거울(124a)에서 반사되어 이색 편광 빔 분할기(121)로 입사한다.
이후, 사냑 간섭계에서 반시계 방향으로 진행하는 수평 편광 방향의 펌프 광(|Hp>)은 비선형 결정(122)을 통과하면서 |H>|V>(또는 |H>1|V>2)의 광자쌍을 생성하고, 이 광자쌍은 이색 반파장판(123)을 지나면서 |V>|H>(또는 |V>1|H>2)의 상태로 바뀐다. 그리고, 이색 편광 빔 분할기(121)에서 각각 반사 또는 투과한 두 광자는 공간모드 1(도 10의 우측)과 공간모드 2(도 10의 상측)에서 |V>1|H>2의 상태가 된다.
반면에, 사냑 간섭계에서 시계 방향으로 진행하는 수직 편광 방향의 펌프 광(|Vp>)은 이색 반파장판(123)을 지나면서 수평 편광(|Hp>)이 되고, 비선형 결정(122)를 통과하면서 |H>|V>(또는 |H>1|V>2)의 광자쌍을 생성한다. 그리고, 이색 편광 빔 분할기(121)에서 각각 반사 또는 투과한 두 광자는 두 공간모드 1과 2에서 |H>1|V>2의 상태가 된다.
결과적으로 두 공간모드 1과 2에서는 |V>1|H>2과 |H>1|V>2 상태의 광자들이 중첩되어 편광-얽힘 상태의 광자쌍(10b, 10c)이 생성되며, 이들은 하기 수학식 9와 같은 상태를 가진다.
[수학식 9]
Figure 112017089351783-pat00010
현재 도 10에서는 반파장판(123)이 시계 방향 경로를 기준으로 비선형 결정(122)보다 먼저 위치하도록 구성되어 있지만, 구성하기에 따라서 반파장판(123)이 시계 방향 경로를 기준으로 비선형 결정(122)보다 뒤에 위치하도록 구성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)의 구조 및 광자쌍을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)는 광원(110), 사냑 간섭계에 편광 빔 분할기(121), 비선형 결정(122), 반파장판(123), 이색 거울(124a) 및 거울(124b) 등을 포함한다.
상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)는 광원(110)에서 조사된 펌프 광(11a)이 사냑 간섭계의 편광 빔 분할기(121)에 입사한다. 이때, 구성하기에 따라서는 펌프 광(11a)가 거울(124b)에서 반사되어 볼록 렌즈(125)를 거쳐 편광 빔 분할기(121)에 입사되도록 할 수 있다.
이때, 광원(110)은 775nm 파장을 가지는 펌프 광(11a)를 조사할 수 있다.
이때, 볼록 렌즈(125)의 초점거리가 200mm일 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서는 편광 빔 분할기(121)는 입사된 펌프 광의 수평 편광 방향 광선은 투과시키고, 수직 편광 방향 광선은 반사시키는 성질을 가질 수 있다. 따라서, 입사된 펌프 광(11a)에서 수직 편광 방향의 수직 펌프 광은 편광 빔 분할기(121)에서 반사되고, 수평 편광 방향의 수평 펌프 광은 편광 빔 분할기(121)를 투과할 수 있다. 즉, 도 11에서 수평 펌프 광은 시계 방향으로 진행하고, 수직 펌프 광은 반시계 방향으로 진행한다. 여기서 각각의 분리된 펌프 광은 비선형 결정(122)에 동시에 도달한다.
이때, 편광 빔 분할기(121)는 이색 편광 빔 분할기이고, 반파장판(123)은 이색 반파장판일 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)은 제0 형의 비선형 결정일 수 있다. 즉, 본 발명은 편광 기반 사냑 간섭계 내에 위치한 제0 형의 비선형 결정(122)을 통해 제0 형의 준위상 정합 과정이 이루어지고, 이로부터 생성된 공간적으로 분리된 서로 직교하는 편광의 광자쌍을 중첩시키는 방식으로 편광-얽힘 광자쌍을 생성할 수 있다. 제0 형의 준위상 정합을 통해 생성된 광자쌍의 편광이 동일하기 때문에 편광 기반 사냑 간섭계를 통해서 편광-얽힘을 구현하기 위해서는 공간적으로 분리시키는 것이 필요하다.
이때, 비선형 결정(122)은 주기적 분극반전 니오브산리튬(PPLN)일 수 있고, PPLN의 온도를 조절함으로써 제0 형의 준위상 정합을 통해 생성되는 두 광자를 원하는 출력 각도를 갖도록 공간적으로 분리시킬 수 있다. 이를 수행하기 위해서는 공간적으로 분리된 두 편광 상태의 중첩을 위해서 광학계의 정밀한 정렬이 필요하다.
이때, 비선형 결정(122)은 온도가 섭씨 40도로 설정될 수 있다.
이때, 비선형 결정(122)는 입사된 광선의 파장이 775nm인 경우에 자발적 매개 하향 변환을 수행하여 1550nm의 파장을 갖는 광자를 생성하는 것일 수 있다.
이때, 사냑 간섭계에서 비선형 결정(122)과 간섭계 내의 광경로를 조절하는 거울(124b) 간의 중심거리를 7cm로 설정할 수 있다.
이후, 사냑 간섭계에서 시계 방향으로 진행하는 수평 편광 방향의 펌프 광(|Hp>)은 이색 반파장판(123)을 지나면서 수직 편광(|Vp>)이 되고, 비선형 결정(122)을 통과하면서 공간적으로 분리된 |V>|V>(또는 |V>1|V>2)의 광자쌍을 생성한다. 그리고, 이색 편광 빔 분할기(121)에서 반사된 두 광자는 공간모드 1(예컨대, 도 11의 좌측)과 공간모드 2(예컨대, 도 11의 우측)에서 |V>1|V>2의 상태가 된다.
반면에, 사냑 간섭계에서 반시계 방향으로 진행하는 수직 편광 방향의 펌프 광(|Vp>)은 비선형 결정(122)를 통과하면서 공간적으로 분리된 |V>|V>(또는 |V>1|V>2)의 광자쌍을 생성하고, 이 광자쌍은 이색 반파장판(123)을 지나면서 |H>|H>(또는 |H>1|H>2)의 상태로 바뀐다. 그리고, 이색 편광 빔 분할기(121)를 투과한 두 광자는 공간모드 1(예컨대, 도 11의 좌측)과 공간모드 2(예컨대, 도 11의 우측)에서 |H>1|H>2의 상태가 된다.
이때, 구성하기에 따라서 이색 편광 빔 분할기(121)에서 반사된 또는 통과한 광자들을 볼록 렌즈(125)와 거울들(124b)을 이용하여 광 경로를 조절할 수 있다.
이때, 볼록 렌트(125)를 통과한 광자들의 경로를 조절하기 위한 거울들(124b) 간의 간격을 16mm로 설정할 수 있다.
결과적으로 두 공간모드 1과 2에서는 |V>1|V>2과 |H>1|H>2 상태의 광자들이 중첩되어 편광-얽힘 상태의 광자쌍(12b, 12c)이 생성된다.
현재 도 11에서는 반파장판(123)이 시계 방향 경로를 기준으로 비선형 결정(122)보다 먼저 위치하도록 구성되어 있지만, 구성하기에 따라서 반파장판(123)이 시계 방향 경로를 기준으로 비선형 결정(122)보다 뒤에 위치하도록 구성할 수 있다.
여기서, 도 11에 도시된 광자쌍 생성 장치는 공간적으로 분리된 광자쌍을 생성하게 되므로 도 10에 도시된 광자쌍 생성 장치와 비교하였을 때, 광경로가 구분됨으로써 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있으며, 높은 효율로 편광-얽힘 광자쌍을 생성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)의 구조 및 광자쌍을 생성하는 과정을 나타낸 도면이다.
상세히, 도 12에 도시된 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)는 도 11에 도시된 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치(100)에서 전처리부(126)와 후처리부(127)를 더 포함한다.
전처리부(126)는 광자쌍을 용이하게 생성하기 위하여 광원(110)에서 조사되는 펌프 광(12a)을 사냑 간섭계에 입사하기 전에 전처리한다.
이때, 전처리부(126)는 펌프 광(12a)의 편광 방향을 바꾸거나 위상을 지연시키거나 편광을 선별하는 등의 처리를 수행할 수 있다.
후처리부(127)는 생성된 광자쌍들(12b, 12c)을 용이하게 이용하기 위하여 후처리한다.
이때, 후처리부(126)는 생성된 광자쌍(12b, 12c)의 편광 방향을 바꾸거나 위상을 지연시키는 등의 처리를 수행할 수 있다.
도 13은 도 12에 도시된 전처리부(126)의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 도 12에 도시된 전처리부(126)는 입사되는 펌프 광(12a)에 대하여 전처리를 수행하며, 사분파장판(126a) 및 반파장판(126b) 등을 포함한다.
사분파장판(126a)은 입사되는 광선의 일측 편광 방향의 위상을 90도 지연시키고, 반파장판(126b)은 입사되는 광선의 일측 편광 방향의 위상을 180도 지연시킨다.
전처리부(126)는 구성하기에 따라서 사분파장판(126a) 및 반파장판(126b)을 선택적으로 포함할 수 있으며, 각각의 구성을 복수개 포함할 수도 있다.
도 14는 도 12에 도시된 후처리부(127)의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 도 12에 도시된 후처리부(127)는 사냑 간섭계에서 생성되는 광자쌍(12b, 12c)에 대하여 후처리를 수행하며, 사분파장판(127a), 반파장판(127b) 및 편광자(127c) 등을 포함한다.
사분파장판(127a)은 입사되는 광선의 일측 편광 방향의 위상을 90도 지연시키고, 반파장판(127b)은 입사되는 광선의 일측 편광 방향의 위상을 180도 지연시키며, 편광자(127c)는 입사되는 광선을 원하는 편광 성분으로 분리하거나 바꿔준다.
후처리부(127)는 구성하기에 따라서 사분파장판(127a), 반파장판(127b) 및 편광자(127c)를 선택적으로 포함할 수 있으며, 각각의 구성을 복수개 포함할 수도 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법은, 광원(도 4의 110 참조)이 펌프 광을 조사한다(S1501).
이때, 펌프 광의 파장을 775nm로 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법은, 편광 빔 분할기(도 4의 121 참조)가 펌프 광을 수평 펌프 광과 수직 펌프 광으로 분리한다(S1503).
이때, 편광 빔 분할기는 이색 편광 빔 분할기일 수 있다.
이때, 편광 빔 분할기는 수평 펌프 광은 투과시키고, 수직 펌프 광은 반사시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법은, 반파장판(도 4의 123 참조)이 수직 펌프 광을 수평 편광으로 변환한다(S1505).
이때, 반파장판은 이색 반파장판일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법은, 비선형 결정(도 4의 122 참조)이 단계(S1505)에서 수평 편광으로 변환된 수직 펌프 광으로부터 광자쌍을 생성한다(S1507).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법은, 비선형 결정(도 4의 122 참조)이 수평 펌프 광으로부터 광자쌍을 생성한다(S1509).
이때, 비선형 결정(도 4의 122 참조)은 제0 형의 준위상 정합 결정일 수 있고, 생성하는 광자쌍들을 공간적으로 분리시킬 수 있다.
이때, 비선형 결정(도 4의 122 참조)에 의해 생성된 광자쌍들은 1550nm의 파장을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법은, 반파장판(도 4의 123 참조)이 단계(S1509)에서 수평 펌프 광으로부터 생성된 광자쌍의 편광 방향을 90도만큼 변환시킨다(S1511).
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법은, 편광 빔 분할기(도 4의 121 참조)가 각 광자쌍을 편광 방향에 따라 2개의 공간모드로 분리하고, 각 공간모드에서 분리된 광자쌍들을 중첩시켜 편광-얽힘 광자쌍을 생성한다(S1513).
선택적 실시예에서, 상기 단계들(S1501, S1503, S1505, S1507, S1509, S1511 및 S1513)에 있어서, 수직 펌프 광으로부터 광자쌍을 생성하는 단계(S1507)와 수평 펌프 광으로부터 광자쌍을 생성하는 단계(S1509)는 병렬적으로 수행될 수 있다.
선택적 실시예에서, 상기 단계들(S1501, S1503, S1505, S1507, S1509, S1511 및 S1513)에 있어서, 수평 펌프 광으로부터 광자쌍을 생성하는 단계(S1509)가 먼저 수행되고, 수직 펌프 광으로부터 광자쌍을 생성하는 단계(S1507)가 수행될 수 있다.
양자 컴퓨터, 양자 통신 등을 포함하는 양자정보 분야와 양자정밀 측정 분야에 아주 중요한 역할을 하는 얽힘 상태 광원을 효과적으로 생성하고 제어 및 측정하는 것으로, 현재 양자 얽힘 상태의 생성, 제어 및 측정하는 기술이 많이 부족하다. 본 발명을 통해 얽힘 상태 양자 광원 생성 기술을 축적하고, 단일 광자 수준에서 빛을 제어하고 측정하는 기술을 확보할 수 있다. 그리고, 본 발명을 양자 통신용 편광-얽힘 광자쌍 광원으로 활용이 가능하다.
또한, 순수연구 단계에 있는 양자정보 및 양자정밀측정 분야에서 활용될 수 있는 다양한 양자 상태의 특성, 양자 알고리듬 등을 실험적으로 구현할 수 있는 기반 기술을 구축할 수 있다. 최근에 많은 분야에서 양자 얽힘 상태가 효과적인 광원으로 이용되고 있는 실정이고, 본 발명은 광을 이용하는 여러 측정 장비에서 대체 광원으로 활용될 수 있다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 실시예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 편광-얽힘 광자쌍 생성 시스템
100: 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치
110: 광원
120: 사냑 간섭계 121: 편광 빔 분할기
122: 비선형 결정 123: 반파장판
124a: 거울 124b: 이색 거울
125: 볼록 렌즈 126: 전처리부
127: 후처리부
200: 광자쌍 수용 장치

Claims (20)

  1. 펌프 광을 조사하는 광원; 및
    상기 펌프 광으로부터 자발적 매개 하향 변환(spontaneous parametric down-conversion)에 의해 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 사냑 간섭계(Sagnag interferometer)
    를 포함하고,
    상기 사냑 간섭계는
    수평 펌프 광과 수직 펌프 광을 자발적 매개 하향 변환에 의해 광자쌍들로 변환하는 비선형 결정;
    상기 펌프 광을 상기 수평 펌프 광과 상기 수직 펌프 광으로 분류하고, 상기 광자쌍들을 편광 방향에 따라 제1 공간모드와 제2 공간모드로 분리하고, 각각의 공간모드에서 광자쌍들을 중첩시키는 편광 빔 분할기(polarization beam splitter);
    상기 수직 펌프 광을 수평 편광으로 변화시키고, 상기 수평 펌프 광이 상기 비선형 결정을 통과하면서 생성된 제1 광자쌍의 편광 방향을 90도만큼 변화시키는 반파장판(half-wave plate);
    를 포함하고,
    상기 비선형 결정은
    상기 수평 펌프 광을 통과시키면서 상기 제1 광자쌍으로 변환하고, 상기 반파장판을 통과한 수직 펌프 광을 통과시키면서 제2 광자쌍으로 변환하고,
    상기 편광빔 분할기는
    상기 제1 광자쌍과 상기 제2 광자쌍 각각을 기설정된 거리만큼 공간적으로 분리시키고,
    상기 비선형 결정은
    상기 기설정된 거리를 만족시키기 위하여 상기 비선형 결정의 온도를 기설정된 온도로 조절하는, 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 비선형 결정은
    주기적인 분극반전 구조를 갖는 것인, 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치
  4. 청구항 3에 있어서
    상기 비선형 결정은
    주기적 분극반전 니오브산리튬(peoridically poled lithium niobate) 결정인 것인, 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 비선형 결정은
    제0 형의 준위상 정합(quasi-phase matching) 결정인 것인, 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 편광 빔 분할기는
    이색 편광 빔 분할기(dichroic polarization beam splitter)이고,
    상기 반파장판은
    이색 반파장판(dichroic half-wave plate)인 것인, 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 펌프 광에 대하여 반파장판 및 사분파장판(quarter-wave plate) 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 전처리하는 전처리부; 및
    상기 편광-얽힘 광자쌍에 대하여 반파장판, 사분파장판 및 편광자(polarizer) 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 후처리하는 후처리부
    를 더 포함하는, 편광-얽힘 광자쌍 생성 장치.
  11. 광원에서 펌프 광을 조사하는 단계; 및
    사냑 간섭계(Sagnag interferometer)에서 상기 펌프 광으로부터 자발적 매개 하향 변환(spontaneous parametric down-conversion)에 의해 편광-얽힘 광자쌍을 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 광자쌍을 생성하는 단계는
    편광 빔 분할기(polarization beam splitter)가 상기 펌프 광을 수평 펌프 광과 수직 펌프 광으로 분류하는 단계;
    비선형 결정이 상기 수평 펌프 광과 상기 수직 펌프 광을 자발적 매개 하향 변환에 의해 광자쌍들로 변환하는 단계;
    상기 편광 빔 분할기가 상기 광자쌍들을 편광 방향에 따라 제1 공간모드와 제2 공간모드로 분리하고, 각각의 공간모드에서 광자쌍들을 중첩시키는 단계; 및
    반파장판(half-wave plate)이 상기 수직 펌프 광을 수평 편광으로 변화시키고, 상기 수평 펌프 광이 상기 비선형 결정을 통과하면서 생성된 제1 광자쌍의 편광 방향을 90도만큼 변화시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 광자쌍들로 변환하는 단계는
    상기 비선형 결정이 상기 수평 펌프 광을 통과시키면서 상기 제1 광자쌍으로 변환하고, 상기 반파장판을 통과한 수직 펌프 광을 통과시키면서 제2 광자쌍으로 변환하고,
    상기 광자쌍들을 중첩시키는 단계는
    상기 편광 빔 분할기가 상기 제1 광자쌍과 상기 제2 광자쌍 각각을 기설정된 거리만큼 공간적으로 분리시키고, 상기 비선형 결정이 상기 기설정된 거리를 만족시키기 위하여 상기 비선형 결정의 온도를 기설정된 온도로 조절하는, 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 비선형 결정은
    주기적인 분극반전 구조를 갖는 것인, 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법.
  14. 청구항 13에 있어서
    상기 비선형 결정은
    주기적 분극반전 니오브산리튬(peoridically poled lithium niobate) 결정인 것인, 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 비선형 결정은
    제0 형의 준위상 정합(quasi-phase matching) 결정인 것인, 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법.
  18. 삭제
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 편광 빔 분할기는
    이색 편광 빔 분할기(dichroic polarization beam splitter)이고,
    상기 반파장판은
    이색 반파장판(dichroic half-wave plate)인 것인, 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 펌프 광에 대하여 반파장판 및 사분파장판(quarter-wave plate) 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 전처리하는 단계; 및
    상기 편광-얽힘 광자쌍에 대하여 반파장판, 사분파장판 및 편광자(polarizer) 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 후처리하는 단계
    를 더 포함하는, 편광-얽힘 광자쌍 생성 방법.
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