LIBRO BLANCO: Cristales ópticos no lineales utilizados para la tecnología Quant µm

Tecnología Quant µm

La Tecnología Cuántica µm (QT) es un área científica apasionante que ya está marcando la diferencia en nuestras vidas. Su impacto aumentará en los próximos años y los cristales ópticos no lineales (NLO) desempeñarán un papel clave en su comercialización. Se espera que la QT tenga utilidad en múltiples aplicaciones en tres categorías principales:

• Detección y cronometraje: la extrema sensibilidad de los sistemas cuánticos µm a las influencias ambientales se puede aprovechar para medir propiedades físicas con mayor precisión.
• Comunicaciones: Los intentos de observar un canal de comunicación cuántico µm alterarán irreversiblemente el estado del sistema, de forma que sea detectable por las partes que intercambian información. Una red cuántica µm puede distribuir fotones entrelazados como claves entre usuarios distantes para garantizar que los datos no sean interceptados.
• Computación: Utilizando los principios de superposición y entrelazamiento, teóricamente es posible una aceleración significativa con respecto a las computadoras clásicas para algunos tipos de problemas. La computación cuántica µm promete revolucionar la informática, especialmente cuando se manejan grandes conjuntos de datos y cálculos complejos.

Los primeros productos se comercializan actualmente, pero la industria de la tecnología cuántica (QT) aún se encuentra en sus inicios y requerirá nuevos componentes y sistemas de diversos proveedores, lo que creará una cadena de suministro estable que está surgiendo en este campo. La fotónica será fundamental en la cadena de suministro, y ya sea generando pares de fotones entrelazados, enfriando átomos o generando estados cuánticos µm estables, los cristales y componentes NLO serán factores clave.

En comparación con la adaptación de fase birrefringente (BPM) más convencional utilizada en materiales homogéneos, los materiales QPM microestructurados ofrecen los beneficios de una alineación óptica colineal simple, un desplazamiento angular no crítico, acceso a los coeficientes no lineales más grandes y un espacio de diseño altamente flexible.

Tipos de cristales no lineales

dopado con MgOµm (MgO:LN)cuenta con una cadena de suministro de obleas bien establecida debido al uso generalizado del material en otros componentes, y puede polarizarse periódicamente para aumentar la eficiencia de conversión de frecuencia. Posee el coeficiente no lineal efectivo más alto entre los materiales no lineales comerciales y un amplio rango de transmisión de 380 nm a 5µm lo que lo hace extremadamente adecuado para la conversión de frecuencia de alta eficiencia de fuentes de onda continua y pulsada.

potasioµm (KTP) tiene una no linealidad menor que el MgO:LN y se utiliza cuando se requiere una mayor resistencia al daño fotorrefractivo. El KTP también se puede polarizar periódicamente para mejorar la eficiencia de generación de segundo armónico (SHG) en longitudes de onda más cortas, pero su uso es limitado en el infrarrojo medio debido a una ventana de transmisión más estrecha, de 350 nm a 4µm. Además, el KTP tiene una cadena de suministro menos consolidada que la del MgO:LN, por lo que la calidad del material es más variable y resulta más caro.

betabaritaµm (BBO) yµm (LBO) se han popularizado para la generación de longitudes de onda en las porciones del espectroµm, debido a que su transparencia en estas longitudes de onda cortas es mejor que la del KTP y el MgO:LN. El BBO es transparente hasta 190 nm y el LBO hasta 155 nm. Ambos cristales se utilizan en una configuración masiva sin polarizar, y si bien el BBO tiene una mayor no linealidad y ancho de banda de ajuste de temperatura que el LBO, este último tiene un ángulo de desvío menor, un umbral de daño más alto y capacidades de ajuste de ángulo y longitud de onda más amplias. Ambos tipos de cristales se ven limitados por una no linealidad mucho menor que laµm , pero la capacidad de usar cristales grandes con potencias de entrada muy altas permite que ambos tipos de cristales se utilicen eficazmente en sistemas de conversión de frecuencia de mayor tamaño.

La elección del cristal NLO para una aplicación específica depende de la longitud de onda requerida, las fuentes de p µm disponibles y la eficiencia de conversión de NLO. Si la aplicación requiere un volumen significativo de µm , el coste del material y la estabilidad de la cadena de suministro. Otros factores a considerar incluyen la potencia de salida requerida, el ancho de línea, la temperatura de funcionamiento, etc.

Al considerar diferentes materiales cristalinos,µm (LiNbO3) es una opción particularmente atractiva ya que tiene un coeficiente no lineal muy alto.¹ MgO:LN y KTP son materiales ferroeléctricos en los que la estructura de dominios puede invertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico. Al aplicar un campo eléctrico con patrón espacial, llamado polarización periódica, se puede producir una inversión periódica en la polarización interna dentro del cristal. Esto permite utilizar la adaptación de cuasi-fase para acceder al coeficiente no lineal más alto (d33₎. Esta técnica no es adecuada para su uso con LBO y BBO.

Procesos de conversión de frecuencia no lineal

Los cristales NLO pueden ofrecer conversión de frecuencia mediante una serie de µm de diferentes mecanismos, lo que los convierte en una solución muy flexible para producir fuentes de luz estables, de alta calidad y con ancho de línea estrecho a lo largo de su ventana de transmisión. Esta flexibilidad, combinada con la disponibilidad de fuentes comerciales impulsadas por la industria de las telecomunicaciones, los hace ideales para las longitudes de onda de interés en QT. El diagrama a continuación destaca algunas longitudes de onda objetivo que pueden obtenerse para transiciones atómicas de interés.

Los procesos incluyen:

La generación de segundo armónico (SHG), o duplicación de frecuencia, es el proceso no lineal de segundo orden más utilizado. En SHG, dos fotones de entrada pµmp con la misma longitud de onda λ_P se combinan mediante un proceso no lineal para generar un tercer fotón en λ_SHG, donde, λ_SHG = λ_P/2 (o en términos de frecuencia f_SHG = 2f_Pdisponibles comercialmenteµmdesde 976 nm hasta 3300 nm, lo que permite la generación de luz de frecuencia duplicada entre 488 nm y 1550 nm.

(µm SFG) combina dos fotones de entrada en λ_P y λ_S para generar un fotón de salida en λ_SFG , donde λ_SFG = (1/ λ_P + 1/ λ_S)-1 (o en términos de frecuencia f_SHG = f_P + f_Sfácilmente disponibles fijas (por ejemplo, 1550 nm) y sintonizables (por ejemplo, 780/810 nm),µmlos cristales NLO SFG pueden proporcionar luz de salida sintonizable entre 500 y 700 nm.

La generación de frecuencia diferencial (DFG)ocurre cuando dos fotones de entrada en λ_P y λ_S inciden sobre el cristal. La presencia del fotón de señal de menor frecuencia, λ_S, estimula al fotón pµmp, λ_P, para que emita un fotón de señal λ_S y un fotón idler en λ_i , donde λ_i = (1/ λ_P – 1/ λ_S)-1 (o en términos de frecuencia f_i = f_P – f_S). En este proceso, dos fotones de señal y un fotón idler salen del cristal, lo que resulta en un campo de señal amplificado. Esto se conoce como amplificación paramétrica óptica (OPA). Además, al colocar el cristal no lineal dentro de un resonador óptico, también conocido como oscilador paramétrico óptico (OPO), la eficiencia puede mejorarse significativamente. Los cristales NLO DFG se pueden diseñar para funcionar con longitudes de onda pµm(por ejemplo, 1064/1550/775 nm) para cubrir un amplio rango de sintonización de salida continuo desde el infrarrojo cercano hasta más allá de 4,5 µm en el infrarrojo medio.

Longitudes de onda de interés para aplicaciones cuánticas en µm

La estructura especial de los átomos de metales alcalinos es la base de los espectros de precisión, el enfriamiento y atrapamiento láser de átomos, los interferómetros atómicos y los patrones de frecuencia atómica. Entre estos átomos, se han estudiado en detalle el rubidio µm (Rb), el cesio µm (Cs), el berilio µm (Be), el bario µm (Ba) y el estroncio µm (Sr). Los cristales NLO se utilizan con mayor frecuencia en sistemas de óptica cuántica µm , donde se requieren láseres de ancho de línea estrecho para acceder a transiciones atómicas específicas y manipular y enfriar átomos e iones, donde los láseres de diodo no producen la potencia, el ancho de línea, la calidad del haz o la longitud de onda requeridos o no están fácilmente disponibles.

Los cristales NLO son una opción muy atractiva en estos sistemas, ya que pueden diseñarse con precisión para proporcionar la potencia de salida y la longitud de onda requeridas. También son atractivos porque se basan en una cadena de suministro existente donde las fuentes p µm p son económicas gracias a los láseres de telecomunicaciones disponibles comercialmente. Por lo tanto, la potencia de salida a nivel de vatios en longitudes de onda precisas se puede lograr fácilmente mediante la conversión de longitud de onda de los cristales NLO.

Las longitudes de onda generadas pueden ser la longitud de onda objetivo para la transición atómica deseada o un estado intermedio que luego es convertido por otro cristal, por ejemplo, la combinación de 1051 nm y 1550 nm en MgO: PPLN da una salida de 626 nm que luego se duplica a 313 nm mediante BBO.²

Ejemplos de uso de cristales NLO en aplicaciones Quant µm

Enfriamiento y atrapamiento de átomos. El enfriamiento y atrapamiento láser es la tecnología que permite enfriar átomos hasta casi el cero absoluto, confinándolos y manteniéndolos en trampas. Los átomos en su estado fundamental pueden almacenar información cuántica deµm , y las interacciones de largo alcance entre átomos de Rydberg altamente excitados son esenciales para el correcto funcionamiento de muchosµm protocolos de informaciónµm .

La tecnología de alta precisión y escalabilidad que ofrece la interferometría atómica permite una detección más sensible de características, como tamaños más pequeños o mayor profundidad. Muchas aplicaciones de óptica atómica prefieren una alta potencia láser, manteniendo un ancho de línea estrecho y una alta calidad espacial del haz. Por ejemplo, la generación de 780 nm a partir de una fuente de 1560 nm (SHG) es necesaria para el atrapamiento magnetoóptico (MOT) de átomos de Rb en ​​aplicaciones que utilizan interferometría atómica fría, como la detección gravimétrica y los relojes atómicos.³

En estas aplicaciones, los láseres de telecomunicaciones comerciales estándar (COTS) a 1560 nm pueden duplicarse eficientemente en frecuencia a 780 nm, con eficiencias de conversión de hasta el 70 % demostradas para soluciones de guía de ondas^4.La combinación de componentes láser COTS pµmp junto con un cristal duplicador de frecuencia proporciona una generación rentable tanto de la potencia de 780 nm como del ancho de línea estrecho requerido para soportar el atrapamiento de átomos de Rb.

Conclusión

Los sistemas láser basados ​​en cristales NLO se han utilizado en numerosas aplicaciones cuánticas µm . El cristal MgO:PPLN presenta el coeficiente no lineal efectivo más alto entre los cristales NLO comerciales y es el cristal predilecto para aplicaciones en el rango de 380 nm a 5 μm. Sin embargo, cuando se requiere una potencia muy alta (p. ej., >3 W CW a 532 nm) o longitudes de onda fuera del rango óptico, se pueden utilizar cristales KTP, BBO y LBO.

La generación de frecuencia no lineal es una forma eficiente de obtener las longitudes de onda de salida deseadas con bajo ruido de fase, alta calidad de haz y ancho de línea estrecho para QT. Como proveedor líder de productos de conversión de longitud de onda basados ​​en PPLN, Covesion ofrece asesoramiento sobre soluciones específicas para cada cliente, así como soporte técnico para su configuración, uso y optimización. Con una amplia gama de productos COTS, como se muestra en el diagrama a continuación, y con capacidad de diseño y fabricación a medida para artículos no disponibles en stock, Covesion es su socio ideal para cubrir la más amplia gama de aplicaciones de conversión de longitud de onda.

Referencias

1. M. Odstrcil, et al., “Imágenes difractivas coherentes pticográficas no lineales”, Optics Express, págs. 20245-20252, 2016.
2. Hsiang-Yu Lo, et. al, “Sistemas láser de onda continua de estado sólido para ionización, enfriamiento y manipulación cuántica del estado µm de iones µm de berilio”, Applied Physics B, vol. 114, págs. 17-25, 2014.
3. Diviya Devani, et al., “Detección de gravedad: trampa de átomos fríos a bordo de un CubeSat 6U”, CEAS Space Journal, vol. 12, pág. 539–549, 2020.
4. Sam A. Berry, et al, “Guías de ondas de cresta en cubos indifundidas con Zn en MgO:PPLN que generan 1 vatio de SHG de 780 nm con una eficiencia del 70 %”, OSA Continu µm , vol. 2, n.º 12, págs. 3456-3464, 2019.
5. Thomas A. Wright, et al., “Interfaz fotónica bidireccional para vincular la transición Sr+ a 422 nm con la telecomunicación”, Phys. Rev. Applied, vol. 10, p. 044012, 2018.