Quantum frequency down-conversion of single photons in nonlinear optical waveguides

Abstract

In this work, we experimentally study quantum frequency conversion of single photons from the visible spectral range (input) to a wavelength that lies in one of the low-loss telecom wavelength bands around 1.3 µm or 1.55 µm (output). To this end, we use difference frequency generation (DFG) in nonlinear optical waveguides made of periodically poled LiNbO₃. The DFG process is driven by a strong coherent light field that is delivered by a home-built 532-nm-pumped continuous-wave optical parametric oscillator based on bulk periodically poled LiTaO₃. We demonstrate two efficient schemes: frequency down-conversion from 738 nm to 1560 nm and from 711 nm to 1310 nm. In the first case, we have employed faint laser pulses to emulate single photons at 738 nm and extensively investigate noise effects. An external (internal) conversion efficiency of 8% (73%) was achieved and spontaneous Raman scattering was identified as a main noise source. In the second case, we used true single photons from an InP quantum dot. Here the external (internal) efficiency was 32% (≥ 64%). We demonstrate the preservation of the photon lifetime and of nonclassical intensity correlations under frequency down-conversion. Compared with the first process, a much better signal-to-noise ratio was observed in the second process. The results hold great promise with regard to the implementation of on-demand telecom single-photon sources and future quantum networks.

In dieser Arbeit wird die Quantenfrequenzkonversion einzelner Photonen aus dem sichtbaren Spektralbereich (Eingang) zu einer Wellenlänge in einem der verlustarmen Telekombänder um 1.3 µm oder 1.55 µm (Ausgang) experimentell untersucht. Dazu wird Differenzfrequenzmischung (DFG) in optisch nichtlinearen Wellenleitern aus periodisch gepoltem LiNbO₃ benutzt. Der DFG-Prozess wird von einem intensiven, kohärenten Lichtfeld getrieben, welches von einem 532-nm-gepumpten optisch parametrischen Oszillator basierend auf periodisch gepoltem LiTaO₃ geliefert wird. Zwei effiziente Prozesse werden demonstriert: Frequenz-Abwärtskonversion von 738 nm nach 1560 nm und von 711 nm nach 1310 nm. Im ersten Fall wurden abgeschwächte Laserpulse benutzt, um einzelne Photonen bei 738 nm zu simulieren und Rauscheffekte zu untersuchen. Eine externe (interne) Konversionseffizienz von 8% (73%) wurde erreicht und spontane Ramanstreuung als Haupt-Rauschquelle identifiziert. Im zweiten Fall wurden echte Einzelphotonen von einem InP-Quantenpunkt benutzt. Hierbei lag die externe (interne) Konversionseffizienz bei 32% (≥ 64%). Die Erhaltung von Photonenlebensdauer und nichtklassischen Intensitätskorrelationen wurden demonstriert. Im Vergleich zum ersten Prozess konnte beim zweiten Prozess ein viel besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis beobachtet werden. Die Ergebnisse sind vielversprechend im Hinblick auf die Realisierung von Telekom-Einzelphotonenquellen und zukünftigen Quanten-Netzwerken.