論文の概要: Fundamental charge noise in electro-optic photonic integrated circuits

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2308.15404v1
• Date: Tue, 29 Aug 2023 16:02:42 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-08-30 13:23:30.760940
• Title: Fundamental charge noise in electro-optic photonic integrated circuits
• Title（参考訳）: 電子光学フォトニック集積回路の基本電荷ノイズ
• Authors: Junyin Zhang, Zihan Li, Johann Riemensberger, Grigory Lihachev, Guanhao Huang, Tobias J. Kippenberg
• Abstract要約: 突発的に帯電するキャリア密度変動は、最近出現した電子光学フォトニック集積回路において、新しいノイズ過程を引き起こすことを示す。 ポッケルス集積フォトニクスの基本的な限界として、電気的ジョンソン・ニキストノイズを確立した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.045405060531616
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Understanding thermodynamical measurement noise is of central importance for electrical and optical precision measurements from mass-fabricated semiconductor sensors, where the Brownian motion of charge carriers poses limits, to optical reference cavities for atomic clocks or gravitational wave detection, which are limited by thermorefractive and thermoelastic noise due to the transduction of temperature fluctuations to the refractive index and length fluctuations. Here, we discover that unexpectedly charge carrier density fluctuations give rise to a novel noise process in recently emerged electro-optic photonic integrated circuits. We show that Lithium Niobate and Lithium Tantalate photonic integrated microresonators exhibit an unexpected Flicker type (i.e. $1/f^{1.2}$) scaling in their noise properties, significantly deviating from the well-established thermorefractive noise theory. We show that this noise is consistent with thermodynamical charge noise, which leads to electrical field fluctuations that are transduced via the strong Pockels effects of electro-optic materials. Our results establish electrical Johnson-Nyquist noise as the fundamental limitation for Pockels integrated photonics, crucial for determining performance limits for both classical and quantum devices, ranging from ultra-fast tunable and low-noise lasers, Pockels soliton microcombs, to quantum transduction, squeezed light or entangled photon-pair generation. Equally, this observation offers optical methods to probe mesoscopic charge fluctuations with exceptional precision.
• Abstract（参考訳）: 熱力学的測定ノイズを理解することは、電荷キャリアのブラウン運動が限界を呈するマスファブリケート半導体センサからの熱的および光学的精度測定において重要なものであり、屈折率と長さ変動への温度変動の伝達による熱屈折性および熱弾性ノイズによって制限される原子時計の光学的基準空洞や重力波検出までである。 本研究では,最近出現した電気光学フォトニック集積回路において,不意に帯電したキャリア密度のゆらぎが新たなノイズ過程を引き起こすことを見出した。 ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムのマイクロ共振体は、そのノイズ特性に予期せぬスケール(すなわち1/f^{1.2}$)を示し、定評ある熱屈折率ノイズ理論とは大きく異なる。 このノイズは熱力学的電荷ノイズと整合しており、電気光学材料の強いポッケルス効果によって伝達される電場ゆらぎをもたらす。 この結果から,ポッケルス集積フォトニクスの基本的限界として,超高速波長可変・低雑音レーザー,ポッケルスソリトンマイクロコム,量子トランスダクション,シャープ光,エンタングル光対生成など,古典的・量子的デバイスの性能限界を決定する上で重要な電気的ジョンソン・ニキストノイズが得られた。 同様に、この観測は、異常な精度でメソスコピック電荷変動を探査する光学的方法を提供する。

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