LIVRE BLANC : Cristaux optiques non linéaires utilisés pour la technologie quantique µm

Technologie Quant µm

La technologie quantique µm (QT) est un domaine scientifique passionnant qui a déjà un impact concret sur notre quotidien. Son influence va croître dans les années à venir et les cristaux optiques non linéaires (NLO) joueront un rôle clé dans sa commercialisation. La QT devrait trouver des applications dans de multiples domaines, répartis en trois grandes catégories :

• Détection et synchronisation : L'extrême sensibilité des systèmes quantiques µm aux influences environnementales peut être exploitée pour mesurer les propriétés physiques avec une plus grande précision.
• Communications : Toute tentative d’observation d’un canal de communication quantique µm altère de manière irréversible l’état du système, et ce, de façon détectable par les parties échangeant des informations. Un réseau quantique µm peut distribuer des photons intriqués comme « clés » entre utilisateurs distants afin de garantir la confidentialité des données.
• Informatique : Grâce aux principes de superposition et d'intrication, une accélération significative par rapport aux ordinateurs classiques est théoriquement possible pour certains types de problèmes. L'informatique quantique à l' µm promet de révolutionner l'informatique, notamment lorsqu'il s'agit de grands ensembles de données et de calculs complexes.

Les premiers produits sont commercialisés aujourd'hui, mais l'industrie de la transition quantique n'en est qu'à ses débuts et nécessitera de nouveaux composants et systèmes provenant de divers fournisseurs, créant ainsi une chaîne d'approvisionnement stable qui se met actuellement en place. La photonique sera au cœur de cette chaîne et, qu'il s'agisse de générer des paires de photons intriqués, de refroidir des atomes ou de générer des états quantiques µm stables, les cristaux et composants optiques non linéaires (NLO) seront des éléments clés.

En comparaison avec l'accord de phase biréfringent (BPM) plus conventionnel utilisé dans les matériaux homogènes, les matériaux QPM microstructurés offrent les avantages d'un alignement optique colinéaire simple, d'un décalage angulaire non critique, d'un accès aux coefficients non linéaires les plus élevés et d'un espace de conception très flexible.

Types de cristaux non linéaires

µm dopé au MgO (MgO:LN) bénéficie d'une chaîne d'approvisionnement en plaquettes bien établie grâce à son utilisation répandue dans d'autres composants. Il peut être polarisé périodiquement pour améliorer l'efficacité de la conversion de fréquence. Il possède le coefficient non linéaire effectif le plus élevé parmi les matériaux non linéaires commerciaux et une large bande de transmission de 380 nm à 5 µm ce qui le rend particulièrement adapté à la conversion de fréquence à haut rendement des sources continues et pulsées.

µm potassium (KTP) présente une non-linéarité inférieure à celle du MgO:LN et est utilisé lorsqu'une résistance accrue aux dommages photoréfractifs est requise. Le KTP peut également être polarisé périodiquement pour améliorer l'efficacité de la génération de seconde harmonique (GSH) aux longueurs d'onde plus courtes, mais son utilisation est limitée dans l'infrarouge moyen en raison d'une fenêtre de transmission plus étroite (350 nm à 4 µm . De plus, la chaîne d'approvisionnement du KTP est moins bien établie que celle du MgO:LN, ce qui entraîne une plus grande variabilité de sa qualité et un coût plus élevé.

bêta µm borate (BBO) et de borate lithié µm LBO) sont devenus populaires pour la génération de longueurs d'onde dans le proche ultraviolet et le bleu du spectre µm grâce à leur transparence supérieure à celle du KTP et du MgO:LN dans ces courtes longueurs d'onde. Le BBO est transparent jusqu'à 190 nm et le LBO jusqu'à 155 nm. Ces deux cristaux sont utilisés en configuration non polarisée. Si le BBO présente une non-linéarité et une bande passante de réglage en température plus importantes que le LBO, ce dernier offre un angle de décalage plus faible, un seuil d'endommagement plus élevé et des capacités de réglage en angle et en longueur d'onde plus étendues. Bien que leur non-linéarité soit nettement inférieure à celle du niobate lithié µm la possibilité d'utiliser des cristaux de grande taille avec des puissances d'entrée très élevées permet leur utilisation efficace dans des systèmes de conversion de fréquence de grande envergure.

Le choix d'un cristal NLO pour une application donnée dépend de la longueur d'onde requise, µm sources disponibles et du rendement de conversion NLO. Si l'application nécessite un volume important de µm , le coût du matériau et la stabilité de la chaîne d'approvisionnement sont également des facteurs importants. Parmi les autres considérations figurent la puissance de sortie requise, la largeur de raie, la température de fonctionnement, etc.

Parmi les différents matériaux cristallins, le niobate de lithium µm LiNbO₃) est particulièrement intéressant en raison de son coefficient non linéaire très élevé. ^MgO :LN et KTP sont des matériaux ferroélectriques dont la structure de domaines peut être inversée par l'application d'un champ électrique. L'application d'un champ électrique spatialement structuré, appelée polarisation périodique, permet de produire une inversion périodique de la polarisation interne du cristal. Ceci rend possible l'utilisation de l'accord de quasi-phase pour atteindre le coefficient non linéaire maximal (d₃₃ ₎ . Cette technique n'est pas adaptée aux matériaux LBO et BBO.

Processus de conversion de fréquence non linéaires

Les cristaux NLO permettent la conversion de fréquence grâce à une µm de mécanismes différents, ce qui en fait une solution très flexible pour produire des sources lumineuses stables, de haute qualité et à faible largeur de raie sur toute leur fenêtre de transmission. Cette flexibilité, associée à la disponibilité de sources commerciales issues du secteur des télécommunications, les rend idéaux pour les longueurs d'onde d'intérêt en transition quantique. Le diagramme ci-dessous illustre quelques longueurs d'onde cibles pouvant être obtenues pour les transitions atomiques d'intérêt.

Les processus comprennent :

La génération de seconde harmonique (GSH) , ou doublage de fréquence, est le procédé non linéaire du second ordre le plus couramment utilisé. En GSH, deux photons incidents de longueur d'onde λ<sub> _P µm sont combinés par un processus non linéaire pour générer un troisième photon à la longueur d'onde λ_{_SHG , où λ _{_SHG} = λ _P} /2 (ou, en termes de fréquence, f _{_SHG} = 2f_{_P}). Les cristaux GSH non linéaires peuvent être fabriqués avec des périodes de réseau QPM adaptées à une large gamme de longueurs d'onde laser disponibles dans le commerce ( µm à 3300 nm), permettant ainsi la génération de lumière à fréquence doublée entre 488 nm et 1550 nm.

SFG (SFG) µm combine deux photons incidents de longueurs d'onde λ_{_P} et λ _{_S} pour générer un photon de sortie à la longueur d'onde λ _SFG</sub> , où λ _{_SFG = (1/λ _P} + 1/λ _{_S} )^-1 (ou, en termes de fréquence, f _{_SHG} = f _{_P} + f_{_S} µm fixes (par exemple 1550 nm) et accordables (par exemple 780/810 nm) facilement disponibles, les cristaux SFG NLO peuvent fournir une lumière de sortie accordable entre 500 et 700 nm.

La génération de fréquence différence (GFD) se produit lorsque deux photons incidents de longueurs d'onde λ_{_P} et λ_{_S} frappent le cristal. La présence du photon signal de plus basse fréquence, λ_{_S} , stimule le photon de longueur d'onde µm _{_P} à émettre un photon signal λ_{_S} et un photon complémentaire de longueur d'onde λ<sub> _i , où λ _{_i} = (1/λ _{_P} – 1/λ_{_S} )^-1 (ou, en termes de fréquence, f _{_i} = f_{_P} – f_{_S}). Au cours de ce processus, deux photons signal et un photon complémentaire sortent du cristal, générant ainsi un champ de signal amplifié. Ce phénomène est connu sous le nom d'amplification paramétrique optique (APO). De plus, en plaçant le cristal non linéaire dans un résonateur optique, également appelé oscillateur paramétrique optique (OPO), l'efficacité peut être considérablement améliorée. Les cristaux NLO DFG peuvent être conçus pour fonctionner avec des longueurs d'onde p µm p fixes et accordables courantes (par exemple 1064/1550/775 nm) afin de couvrir une large gamme d'accord de sortie continue allant du proche infrarouge jusqu'au-delà de 4,5 µm dans l'infrarouge moyen.

Longueurs d'onde d'intérêt pour les applications quantiques µm

La structure particulière des atomes de métaux alcalins est à la base de spectres de précision, du refroidissement et du piégeage d'atomes par laser, des interféromètres atomiques et des étalons de fréquence atomique. Parmi ces atomes, le µm (Rb), le µm (Cs), le µm (Be), le µm (Ba) et le µm (Sr) ont fait l'objet d'études approfondies. Les cristaux optiques non linéaires (NLO) sont couramment utilisés dans les systèmes d'optique quantique µm , où des lasers à raie spectrale étroite sont nécessaires pour accéder à des transitions atomiques spécifiques et manipuler et refroidir des atomes et des ions. Dans ces systèmes, les lasers à diodes ne produisent pas la puissance, la largeur de raie, la qualité de faisceau ou la longueur d'onde requises, ou ne sont pas facilement disponibles.

Les cristaux NLO constituent une option très intéressante pour ces systèmes, car ils peuvent être conçus avec précision pour fournir la puissance et la longueur d'onde de sortie requises. Leur intérêt réside également dans leur intégration à une chaîne d'approvisionnement existante où les sources p µm p sont peu coûteuses grâce aux lasers de télécommunications disponibles sur le marché ; ainsi, une puissance de sortie de l'ordre du watt à des longueurs d'onde précises est facilement atteignable par conversion de longueur d'onde à l'aide de cristaux NLO.

Les longueurs d'onde générées peuvent être soit la longueur d'onde cible pour la transition atomique souhaitée, soit un état intermédiaire qui est ensuite converti par un autre cristal, par exemple la combinaison de 1051 nm et 1550 nm dans MgO:PPLN donne une sortie de 626 nm qui est ensuite doublée à 313 nm par BBO.²

Exemples d'utilisation des cristaux NLO dans les applications quantiques µm

Refroidissement et piégeage d'atomes . Le refroidissement et le piégeage laser permettent de refroidir les atomes à des températures proches du zéro absolu, puis de les confiner et de les maintenir en équilibre dans des pièges. Dans leur état fondamental, les atomes peuvent stocker l'information quantique µm interactions à longue portée entre atomes de Rydberg hautement excités sont essentielles au bon fonctionnement de nombreux protocoles de traitement de l'information quantique µm en informatique quantique µm .

La haute précision et l'évolutivité de l'interférométrie atomique permettent une détection plus sensible de détails tels que des dimensions réduites ou une profondeur accrue. De nombreuses applications d'optique atomique privilégient une puissance laser élevée tout en conservant une faible largeur de raie et une excellente qualité spatiale du faisceau. Par exemple, la génération de 780 nm à partir d'une source de 1560 nm (génération de second harmonique) est nécessaire au piégeage magnéto-optique (MOT) d'atomes de rubidium dans des applications utilisant l'interférométrie d'atomes froids, comme la détection gravimétrique et les horloges atomiques.³

Dans ces applications, les lasers de télécommunications commerciaux sur étagère (COTS) à 1560 nm peuvent être efficacement doublés en fréquence à 780 nm, avec des rendements de conversion allant jusqu'à 70 % démontrés pour les solutions de guides d'ondes ⁴ . La combinaison de composants laser COTS p µm p avec un cristal de doublage de fréquence permet une génération rentable de la puissance à 780 nm et de la largeur de raie étroite requise pour supporter le piégeage d'atomes de Rb.

Conclusion

Les systèmes laser à cristaux NLO sont utilisés dans de nombreuses applications quantiques µm . Le cristal MgO:PPLN possède le coefficient non linéaire effectif le plus élevé parmi les cristaux NLO commerciaux et est le cristal de choix pour les applications dans la gamme de 380 nm à 5 µm. Cependant, lorsque des puissances très élevées (par exemple > 3 W en continu à 532 nm) ou des longueurs d'onde hors du domaine optique sont requises, les cristaux KTP, BBO et LBO peuvent être utilisés.

La génération de fréquences non linéaires est une méthode efficace pour obtenir les longueurs d'onde de sortie souhaitées avec un faible bruit de phase, une haute qualité de faisceau et une largeur de raie étroite pour la conversion quantique. En tant que fournisseur leader de produits de conversion de longueur d'onde basés sur la technologie PPLN, Covesion propose des conseils sur des solutions personnalisées ainsi qu'un support technique pour leur installation, leur utilisation et leur optimisation. Grâce à un vaste catalogue de produits COTS (Commercial Off-The-Shelf), comme illustré dans le schéma ci-dessous, et à ses capacités de conception et de fabrication sur mesure pour les produits hors stock, Covesion est le partenaire idéal pour répondre à tous vos besoins en conversion de longueur d'onde.

Références

1. M. Odstrcil et al., « Imagerie diffractive cohérente ptychographique non linéaire », Optics Express, pp. 20245-20252, 2016.
2. Hsiang-Yu Lo, et al., « Systèmes laser à onde continue entièrement à l'état solide pour l'ionisation, le refroidissement et la manipulation de l'état quantique µm des ions béryllium µm », « Applied Physics B, vol. 114, p. 17-25, 2014.
3. Diviya Devani, et al., « Détection de la gravité : piège à atomes froids à bord d'un CubeSat 6U », CEAS Space Journal, vol. 12, p. 539-549, 2020.
4. Sam A. Berry, et al, « Guides d'ondes à crête découpée indiffusés au Zn dans MgO:PPLN générant 1 watt SHG 780 nm à 70 % d'efficacité », OSA Continu µm , vol. 2, no. 12, pp. 3456-3464, 2019.
5. Thomas A. Wright et al., « Interface photonique bidirectionnelle pour relier la transition Sr+ à 422 nm aux télécommunications », Phys. Rev. Applied, vol. 10, p. 044012, 2018.