Reliable coherent optical memory based on a laser-written waveguide
Chao Liu, Zong-Quan Zhou, Tian-Xiang Zhu, Liang Zheng, Ming Jin, Xiao Liu, Pei-Yun Li, Jian-Yin Huang, Yu Ma, Tao Tu, Tian-Shu Yang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo
Abstract
<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>151</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> -doped yttrium silicate ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>151</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">Y</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) crystal is a unique material that possesses hyperfine states with coherence time up to 6 h. Many efforts have been devoted to the development of this material as optical quantum memories based on bulk crystals, but integrable structures (such as optical waveguides) that can promote <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>151</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">Y</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> -based quantum memories to practical applications have not been demonstrated so far. Here we report the fabrication of type II waveguides in a <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>151</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">Y</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> crystal using femtosecond-laser micromachining. The resulting waveguides are compatible with single-mode fibers and have the smallest insertion loss of 4.95 dB. On-demand light storage is demonstrated in a waveguide by employing the spin-wave atomic frequency comb (AFC) scheme and the revival of silenced echo (ROSE) scheme. We implement a series of interference experiments based on these two schemes to characterize the storage fidelity. Interference visibility of the readout pulse is <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mn>0.99</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.03</mml:mn> </mml:math> for the spin-wave AFC scheme and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mn>0.97</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.02</mml:mn> </mml:math> for the ROSE scheme, demonstrating the reliability of the integrated optical memory.