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편광유지 광섬유에 전사된 반데르발스 물질을 이용한 얽힘 광자 쌍 생성 연구

Study of Entangled Photon Pair Generation Using van der Waals Materials Integrated with Polarization-Maintaining Fiber

  • 김재경 (김재경, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

양자 얽힘 광자 쌍(Quantum Entangled Photon Pairs)은 양자 통신, 양자 컴퓨팅, 양자 센싱 등 다양한 양자 정보 기술의 핵심 자원이다. 기존의 자발적 매개 변수 하향 변환(SPDC)을 이용한 얽힘 광원 생성 방식은 주로 벌크 비선형 결정을 이용한 자유 공간 광학계에 의존해 왔으나, 이는 정밀한 광 정렬이 요구되고 외부 환경 변화에 민감하다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 광섬유 기반의 양자 광원이 연구되어 왔으나, 통상적인 싱글 모드 광섬유는 굽힘이나 온도 변화에 의해 편광 상태가 불안정해지는 문제가 존재한다. 본 논문에서는 강한 이차 비선형성을 가진 이차원 반데르발스(van der Waals) 물질인 갈륨 셀레나이드(GaSe)를 편광 유지(Polarization-Maintaining, PM) 광섬유 페룰 끝단에 직접 전사하여, 외부 환경 변화에 강인하고 소형화된 고효율 양자 얽힘 광원을 구현하였다. 먼저, 기계적 박리법과 PDMS를 이용한 건식 전사(Dry Transfer) 공정을 통해 수 마이크로미터 두께의 GaSe 박막을 PM 광섬유 코어에 정밀하게 전사하였다. 이때 GaSe 결정의 비선형 효율을 극대화하기 위해, 편광 의존적 제 2 고조파 발생(SHG) 측정을 수행하여 결정의 Armchair 축을 식별하고 이를 PM 광섬유의 복굴절 축과 정렬시키는 공정을 확립하였다. 제작된 소자의 양자 광원 특성을 평가하기 위해 782 nm 펌프 레이저를 인가하여 통신 파장 대역인 1550 nm 부근에서 생성되는 광자 쌍을 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)를 통해 측정하였다. 실험 결과, 광섬유 자체의 라만 잡음(Raman noise)이 효과적으로 억제된 높은 신호 대 잡음비(SNR)의 동시 계수(Coincidence counting) 신호를 관측하였으며, 입사 펌프 파워에 선형적으로 비례하는 광자 쌍 생성율을 확인하였다. 나아가, GaSe 의 𝐷3ℎ결정 대칭성을 이용하여 펌프 광의 선형 편광 각도를 조절함으로써, 생성된 광자 쌍의 양자 상태를 벨 상태(Bell state)인 |𝜙−⟩, |𝜓+⟩ 로 자유롭게 제어할 수 있음을 입증하였다. 본 연구에서 제안한 PM 광섬유 집적형 GaSe 양자 광원은 기존 광통신 인프라와의 호환성이 우수하고 집적화가 용이하며, 편광 안정성이 뛰어나 향후 실용적인 양자 네트워크 및 양자 정보 처리 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.

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목차

제 1 장 서론 1
제 2 장 기초이론 3
제 1 절 비선형 광학 3
1. 이차 조화파 생성 3
2. 입사광의 편광에 따른 이차조화파 발생 편광 9
제 2 절 자발적 매개 변수 하향 변환 12
1. 자발적 매개 변수 하향 변환 이론 12
제 3 절 갈륨셀레나이드와 편광유지 광섬유 이론 15
1. 갈륨셀레나이드의 구조 15
2. 편광유지 광섬유 구조 18
제 3 장 실험 구성 및 측정 방법 19
제 1 절 샘플 제작 및 비선형 현상 측정 19
1. 샘플 제작 19
2. 비선형 현상 측정 및 두께 계산 20
제 2 절 물질이 전사된 편광유지 광섬유 제작 27
1. GaSe 의 편광 분해 측정 27
2. GaSe 의 편광 얽힘 특성 29
3. 물질 전사 실험 구성 30
제 3 절 광자 쌍 생성 34
1. 광자 쌍 생성 측정 실험 구성 34
2. 광자 쌍 생성 실험 결과 38
3. 편광 얽힘 광자 쌍 실험 42
제 4 장 결론 44
참고문헌 47
Appendix 51
영문요약 66

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