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문제 정의
- UCD에 이용되는 Si-APD는 연속모드에서 동작되며 상대적으로 짧은 불감시간과 낮은 애프터 펄스 특성 그리고 수십 ps 정도의 짧은 타이밍 지터 등의 특성으로 인해 높은 전송 속도를 위한 양자암호 통신에 보다 효율적으로 이용될 수 있다. 본 연구에서는 빠른 전송속도를 갖는 양자암호통신을 위한 주파수 상향변환 검출기의 타이밍 지터를 측정하는 방법과 실험장치 구성 및 측정결과를 기술하였다.
- 이러한 연구는 1.5 μm 통신파장 대역의 신호 광자와 강한 펌프광을 PPLN과 같은 비선형 매질에 입사시켜 가시광 영역의 새로운 광을 생성하는 합주파수 생성(sum-frequency generation, SFG) 또는 주파수 상향변환을 이용하는 것이다.
제안 방법
- (3) UCD 출력 펄스의 타이밍 지터를 측정하는 부분: UCD의 타이밍 지터는 TAC(time-to-amplitude converter, ORTEC 567)와 MCA(multi channel analyzer, ORTEC TRUMP™-PCI-8k)를 이용하여 측정하였다.
- (4) 트리거 신호를 보내고 펄스 반복율을 조절하는 부분: 본 실험에서는 펄스 레이저에서 나오는 76 MHz의 펄스와 주파수 분할기(frequency divider)를 이용하여 4 MHz로 주파수가 1/19로 낮추어진 펄스의 경우에 대해서 UCD 출력 신호의 타이밍 지터를 측정하였다. 감쇄기(Att.
- 자유공간 광학계는 광섬유 광학계와 달리 광학계 정렬에 아주 민감하므로 Si-APD 검출기는 10 μm이하의 정밀도를 갖는 3축 조절이 가능한 미세 이동기에 부착하였다. UCD의 검출효율 및 잡음 계수 측정을 위해서, 펌프광은 0~600 mA 범위에서 전류값을 조절하여 출력의 세기를 최대 300 mW까지 변화시켰다. 1552 nm 신호광의 세기는 연속발진 모드에서 편광조절기에 입사하는 평균광자수가 106 photon/sec가 되도록 고정/가변 광감쇄기의 조합을 이용하여 조절하였다.
- UCD의 검출효율과 잡음 계수 특성을 측정하기 위한 선행 실험으로, PPLN WG의 동작온도 조건을 찾기 위해 펌프광의 세기는 300 mW로 설정하고, 편광조절기로 펌프광과 신호광의 편광이 PPLN WG의 분극 방향(poling axis)과 일치하도록 맞추었다. 전체 SFG 계수와 잡음 계수는 신호광이 있을 때와 없을 때 각각 발생하는 SFG 광을 측정하는 것이므로 가변 감쇠기의 출력부분을 on/off 하여 조절하였다.
- (4) 트리거 신호를 보내고 펄스 반복율을 조절하는 부분: 본 실험에서는 펄스 레이저에서 나오는 76 MHz의 펄스와 주파수 분할기(frequency divider)를 이용하여 4 MHz로 주파수가 1/19로 낮추어진 펄스의 경우에 대해서 UCD 출력 신호의 타이밍 지터를 측정하였다. 감쇄기(Att.)와 증폭기(Amp.)는 레이저의 낮은 전압의 트리거 펄스(140 mV)를 NIM 모듈(Fan in/out)의 입력 신호의 크기에 맞추기 위해서 사용하였다.
- 이와 같이 통신파장대역의 광을 가시광 영역으로 변환시켜 측정하는 방법은 InGaAs/InP APD가 아닌 Si-APD를 이용하기 때문에 측정파장 대역에서 상대적으로 양자효율이 높을 뿐만 아니라 non gated mode에서 동작시킬 수 있기 때문에 통신파장 대역의 단일광자를 측정하는데 있어서 보다 효율적으로 이용될 수 있다. 또한 본 연구에서는 주파수 상향변환 검출기의 타이밍 지터를 측정하였다. 피코초 펄스 레이저를 이용한 매개하향변환에서 1552 nm 신호 광자를 생성하고, PPLN WG에서 974 nm 파장의 펌프광과 상호작용에 의해 발생한 598 nm 파장의 광을 Si-APD의 NIM 출력 펄스로 측정하고 TAC/MCA를 이용하여 분석하였다.
- 연속발진 레이저 다이오드(Laser diode, LD)에서 나오는 1552 nm 파장의 신호광을 단일광자 수준으로 약하게 하여 UCD의 효율과 잡음 특성을 측정하였다. 또한 자발적 매개하향변환(spontaneous parametric down-conversion, SPDC)에서 생성된 수 ps 펄스폭을 갖는 1552 nm 파장의 단일광자가 입사하는 조건에서 동시계수 기반으로 UCD의 타이밍 지터 특성을 측정하고 분석하였다.
- 그림 6의 실험 장치에서 776 nm 피코초 펄스 레이저의 출력은 850 mW, 974 nm UCD 펌프 레이저의 출력은 250 mW로 하였다. 먼저 동시계수 실험에 많이 이용되는 NIM 모듈 기반으로 펄스 판별기(discriminator)와 시간 지연기, 그리고 동시계수기로 측정 장치를 구성하여 선행 실험을 진행하였다. 이러한 경우에 단일광자에 의해 발생하는 신호의 타이밍 지터는 50 ps 이하이고, 실험에 이용된 동시계수 회로(Philips scientific NIM model 756)의 최소 시간 분해능은 2 ns이므로 974 nm 펌프 레이저에 의해 비선형 과정으로 발생하는 잡음 계수를 줄이는 데는 한계가 있고(본 실험에서는 시간 분해능이 최소 2 ns일 때 SNR은 약 1.
- 본 연구에서는 1.5 μm 통신파장 대역의 단일광자 장거리 전송 및 양자암호통신을 위해서 PPLN WG에서 준위상정합(quasi-phase matching, QPM)을 이용한 1552 nm+974 nm=598 nm의 SFG를 구현하여 주파수 상향변환 검출기(frequency up-conversion detector, UCD)를 구성하였다.
- 하지만, 검출하고자 하는 광자가 펄스형인 경우에는 동시계수를 측정함으로써 이러한 잡음 계수의 영향을 최소화 할 수 있다. 본 연구에서는 피코초 펄스 레이저와 BBO 결정을 이용한 SPDC에서 생성되는 펄스형의 단일 광자를 대상으로 하여, 본 연구에서 구성된 UCD와 동시계수를 통해 펄스형 단일광자검출 실험을 수행하였다. 그림 6의 실험 장치에서 776 nm 피코초 펄스 레이저의 출력은 850 mW, 974 nm UCD 펌프 레이저의 출력은 250 mW로 하였다.
- . 실험에서 측정된 데이터의 곡선맞춤을 위해서 펌프광의 세기는 펌프 레이저 출구에서의 광의 세기를 기준으로 하였다. 여기서 잡음 계수는 신호광이 차단되었을 때 검출기에서 측정된 단일 계수(single count)이다.
- 실험에서는 피코초 펄스 레이저의 트리거 신호를 TAC의 start 입력으로, UCD의 출력 신호를 TAC의 stop 입력으로 하여 TAC의 출력을 분석하고 두 신호의 동시계수를 트리거 신호 대비 UCD 출력 신호의 시간분포를 측정하였다. 동시계수를 이용하여 주파수 상향변환된 광자를 검출하는 경우, 동시계수 시간 폭(coincidence time window)의 크기에 따라 신호대 잡음비의 특성이 달라진다는 것을 알 수 있다.
- 5 μm 통신파장 대역의 단일광자 장거리 전송 및 양자암호통신을 위해서 PPLN WG에서 준위상정합(quasi-phase matching, QPM)을 이용한 1552 nm+974 nm=598 nm의 SFG를 구현하여 주파수 상향변환 검출기(frequency up-conversion detector, UCD)를 구성하였다. 연속발진 레이저 다이오드(Laser diode, LD)에서 나오는 1552 nm 파장의 신호광을 단일광자 수준으로 약하게 하여 UCD의 효율과 잡음 특성을 측정하였다. 또한 자발적 매개하향변환(spontaneous parametric down-conversion, SPDC)에서 생성된 수 ps 펄스폭을 갖는 1552 nm 파장의 단일광자가 입사하는 조건에서 동시계수 기반으로 UCD의 타이밍 지터 특성을 측정하고 분석하였다.
- ) 결정에 입사시키면 noncollinear SPDC에 의해 1552 nm를 중심으로 넓은 파장대역의 광자쌍이 생성된다. 이러한 광을 괌섬유에 집속시킨 후 밴드 폭이 약 18 nm(FWHM)인 CWDM 필터를 통과한 빛을 UCD의 신호광으로 이용하였다. 트리거 신호의 반복율은 4 MHz, 게이트 폭 2.
- 5 μm 통신파장 대역의 효율적인 단일광자 검출방법을 개발하는 것이다. 이를 위해서 본 연구에서는 PPLN WG에서 주파수 상향변환 과정을 이용하여 1552 nm 통신파장의 단일광자를 효율적으로 측정하는 검출기를 구성하고, 효율 및 잡음 계수를 측정하고 분석하였다. 974 nm 펌프광의 세기가 300 mW일 때 최대효율이 약 7%, 잡음 계수는 약 480 kHz로 측정되었다.
- 전체 SFG 계수와 잡음 계수는 신호광이 있을 때와 없을 때 각각 발생하는 SFG 광을 측정하는 것이므로 가변 감쇠기의 출력부분을 on/off 하여 조절하였다. 전체 SFG 계수와 잡음 계수는 PPLN WG의 온도에 따라서 달라지며 펌프광의 세기에 따라서도 달라지는데, 여기서는 실험 과정에서 효율이 거의 최대로 나오는 지점을 선택하여 고정하고 PPLN WG의 온도를 0.1℃ 간격으로 변화시켰다. 펌프 광의 세기가 300 mW, PPLN WG의 온도가 38℃일 때 최대 효율이 약 7%, 잡음 계수는 약 480 kHz로 측정되었다.
- UCD의 검출효율과 잡음 계수 특성을 측정하기 위한 선행 실험으로, PPLN WG의 동작온도 조건을 찾기 위해 펌프광의 세기는 300 mW로 설정하고, 편광조절기로 펌프광과 신호광의 편광이 PPLN WG의 분극 방향(poling axis)과 일치하도록 맞추었다. 전체 SFG 계수와 잡음 계수는 신호광이 있을 때와 없을 때 각각 발생하는 SFG 광을 측정하는 것이므로 가변 감쇠기의 출력부분을 on/off 하여 조절하였다. 전체 SFG 계수와 잡음 계수는 PPLN WG의 온도에 따라서 달라지며 펌프광의 세기에 따라서도 달라지는데, 여기서는 실험 과정에서 효율이 거의 최대로 나오는 지점을 선택하여 고정하고 PPLN WG의 온도를 0.
- 또한 본 연구에서는 주파수 상향변환 검출기의 타이밍 지터를 측정하였다. 피코초 펄스 레이저를 이용한 매개하향변환에서 1552 nm 신호 광자를 생성하고, PPLN WG에서 974 nm 파장의 펌프광과 상호작용에 의해 발생한 598 nm 파장의 광을 Si-APD의 NIM 출력 펄스로 측정하고 TAC/MCA를 이용하여 분석하였다. 76 MHz 광자 신호가 TAC의 start 입력으로 하고 76 MHz 트리거 신호가 stop 입력으로 했을 때 최소 타이밍 지터는 약 39.
대상 데이터
- PPLN WG에서 1552 nm+974 nm=598 nm의 SFG 과정을 위한 위상정합 조건을 만족할 때 PPLN WG의 출구 쪽에는 598 nm의 SFG 광, 974 nm의 펌프광 그리고 487 nm의 펌프광에 의한 SHG(second harmonic generation)광이 함께 방출된다. PPLN WG 출구에서의 광을 평행빔으로 만들기 위해서 초점거리가 8 mm인 렌즈 (L1)을 이용하였다. PPLN WG 출력의 빔들은 두 개의 프리즘(P1, P2)과 거울(M)을 거치고 나면 PPLN WG로부터 Si-APD가 놓여 있는 곳까지 약 60 cm를 진행하게 되며, 이 위치에서 974 nm 펌프광과 487 nm의 펌프광에 의한 SHG 광은 598 nm SFG 광과 약 1cm정도 떨어지게 되므로 Si-APD에 직접적으로 입사되지는 않는다.
- 본 연구에서 구성한 UCD 셋업에서 598 nm 파장의 SFG 광을 측정하는 검출기는 Micro Photon Devices(MPD)사에서 공급하는 Si-APD를 이용한 단일광자 측정모듈을 사용하였다. MPD사의 단일광자 측정모듈(single-photon detection module)은 600 nm 파장대역에서 단일광자 검출효율이 약 42%, 불감 시간은 78 ns이고, TTL 출력(펄스 진폭 3.
- UCD의 타이밍 지터를 측정하기 위해서는 그보다 훨씬 좁은 펄스폭을 갖는 신호광이 필요하다. 본 연구에서는 SPDC에서 발생한 수 ps 펄스폭을 갖는 광자를 신호광으로 사용하였다. 전체 셋업은 크게 (1) 1552 nm 신호광을 생성하는 부분, (2) SFG에 의해 1552 nm 파장의 광을 598 nm 파장의 광으로 변환시켜서 측정하는 UCD, (3) UCD 출력 펄스의 타이밍 지터를 측정하는 부분, 그리고 (4) 트리거 신호를 보내고 펄스 반복율을 조절하는 4가지 부분으로 나뉘어진다.
- 측정에서 사용한 Si-APD의 활성면적(active area)의 직경은 약 50 μm이므로 초점거리가 11 mm인 렌즈를 이용하여 집광하였다.
성능/효과
- (1) BBO 결정에서 SPDC에 의해 1552 nm 신호광을 생성하는 부분: 펄스 레이저에서 방출되는 펄스 폭이 3 ps 이하, 타이밍 지터 250 fs 이하, 파장이 776 nm, 그리고 펄스의 반복율이 76 MHz인 약 610 mW의 펄스를 BBO(β-BaB2O4) 결정에 입사시키면 noncollinear SPDC에 의해 1552 nm를 중심으로 넓은 파장대역의 광자쌍이 생성된다.
- 피코초 펄스 레이저를 이용한 매개하향변환에서 1552 nm 신호 광자를 생성하고, PPLN WG에서 974 nm 파장의 펌프광과 상호작용에 의해 발생한 598 nm 파장의 광을 Si-APD의 NIM 출력 펄스로 측정하고 TAC/MCA를 이용하여 분석하였다. 76 MHz 광자 신호가 TAC의 start 입력으로 하고 76 MHz 트리거 신호가 stop 입력으로 했을 때 최소 타이밍 지터는 약 39.1 ps로 측정되었다. 또한 펄스형의 단일광자 신호와 좁은 시간 범위의 동시계수 기반으로 주파수 변환된 광자를 측정하면 주파수 변환에 수반되는 펌프광에 의해 광섬유 및 PPLN WG에서 비선형 효과로 발생하는 잡음 계수를 줄일 수 있고 신호대 잡음의 비율을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
- 이를 위해서 본 연구에서는 PPLN WG에서 주파수 상향변환 과정을 이용하여 1552 nm 통신파장의 단일광자를 효율적으로 측정하는 검출기를 구성하고, 효율 및 잡음 계수를 측정하고 분석하였다. 974 nm 펌프광의 세기가 300 mW일 때 최대효율이 약 7%, 잡음 계수는 약 480 kHz로 측정되었다. 이와 같이 통신파장대역의 광을 가시광 영역으로 변환시켜 측정하는 방법은 InGaAs/InP APD가 아닌 Si-APD를 이용하기 때문에 측정파장 대역에서 상대적으로 양자효율이 높을 뿐만 아니라 non gated mode에서 동작시킬 수 있기 때문에 통신파장 대역의 단일광자를 측정하는데 있어서 보다 효율적으로 이용될 수 있다.
- 실제로 동시계수 측정 시간 범위를 점점 증가시키면 피코초 펄스형 광자에 의한 신호가 없는 시간 영역에서도 974 nm 펌프레이저에 의해서 비선형적으로 발생하는 잡음 계수가 상당히 많이 존재한다. 동시계수 시간 폭이 UCD의 타이밍 지터의 약 2배에 해당되는 100 ps일 때 신호대 잡음의 비율은 최대 약 6 정도로 증가하였다.
- 따라서 분극 반전된 구조의 매질 내에서 상호작용하는 광의 파장에 따라 격자주기(grating period) Ag 및 매질의 비선형 굴절률을 조절하면 상호작용에 의한 출력 광이 효율적으로 생성되는 QPM을 얻을 수 있다.
- 1 ps로 측정되었다. 또한 펄스형의 단일광자 신호와 좁은 시간 범위의 동시계수 기반으로 주파수 변환된 광자를 측정하면 주파수 변환에 수반되는 펌프광에 의해 광섬유 및 PPLN WG에서 비선형 효과로 발생하는 잡음 계수를 줄일 수 있고 신호대 잡음의 비율을 높이는 효과를 얻을 수 있다. 낮은 타이밍 지터와 상대적으로 높은 신호대 잡음비의 특성을 갖는 단일광자 검출기를 이용하면 수 GHz의 속도를 갖는 장거리 양자통신에 유용하게 활용될 수 있다.
- 104 ps/채널)로 변환이 가능하다. 본 실험에서 UCD의 타이밍 지터를 측정하기 위한 TAC/MCA의 시간 정밀도는 10 ps정도이다. 실험에 사용된 Si-APD 검출기의 타이밍 지터는 최대 50 ps(FWHM)인데, 제작사에서 제공한 측정값은 37 ps이다.
- 먼저 동시계수 실험에 많이 이용되는 NIM 모듈 기반으로 펄스 판별기(discriminator)와 시간 지연기, 그리고 동시계수기로 측정 장치를 구성하여 선행 실험을 진행하였다. 이러한 경우에 단일광자에 의해 발생하는 신호의 타이밍 지터는 50 ps 이하이고, 실험에 이용된 동시계수 회로(Philips scientific NIM model 756)의 최소 시간 분해능은 2 ns이므로 974 nm 펌프 레이저에 의해 비선형 과정으로 발생하는 잡음 계수를 줄이는 데는 한계가 있고(본 실험에서는 시간 분해능이 최소 2 ns일 때 SNR은 약 1.32 정도 되었다), 이러한 특성은 QKD에 적용할 때 단일광자 검출 성능을 저하시키는 단점을 나타낸다. 하지만 동시계수 분해능을 단일광자의 시간 분해능 정도로 줄인다면 잡음 계수를 제거한 순수한 SFG 신호만을 선택하여 측정하는 것이 가능하고, 따라서 SNR을 최대한으로 높일 수 있다.
- 트리거 신호의 반복율은 4 MHz, 게이트 폭 2.5 ns, 불감시간 1 μs의 조건에서 두 대의 InGaAs/InP APD 기반 단일광자 검출기(id quantique, id 200)로 측정된 단일 계수는 각각 34,500 Hz와 30,000 Hz, 그리고 동시계수(coincidence)는 1,600 Hz였다.
- 1℃ 간격으로 변화시켰다. 펌프 광의 세기가 300 mW, PPLN WG의 온도가 38℃일 때 최대 효율이 약 7%, 잡음 계수는 약 480 kHz로 측정되었다.
후속연구
- 1 ps로 측정되었다. 이러한 짧은 타이밍 지터특성을 갖는 단일광자 검출기를 이용하면 수 GHz의 속도를 갖는 장거리 양자통신에 유용하게 활용될 수 있다.
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