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壓縮光態(tài)是量子光學(xué)中最引人入勝的現(xiàn)象之一。普通光的量子噪聲在所有測量方向上均勻漲落，而壓縮光在一個(gè)測量正交分量中表現(xiàn)出低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限的噪聲，代價(jià)是在正交方向上噪聲增加。這種低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限的噪聲抑制使壓縮光成為連續(xù)變量量子信息處理不可或缺的資源。應(yīng)用范圍涵蓋操縱光量子特性的量子計(jì)算協(xié)議、利用糾纏實(shí)現(xiàn)安全傳輸?shù)牧孔油ㄐ畔到y(tǒng)，以及能夠?qū)崿F(xiàn)超越經(jīng)典精度測量的量子傳感器件。

傳統(tǒng)的量子光學(xué)系統(tǒng)采用自由空間光學(xué)實(shí)現(xiàn)，占用大量實(shí)驗(yàn)室空間，且單個(gè)組件的固有不穩(wěn)定性帶來顯著挑戰(zhàn)。這對開發(fā)大規(guī)模復(fù)雜量子系統(tǒng)構(gòu)成障礙。集成光子技術(shù)提供了優(yōu)雅的解決方案，通過精確控制光路長度提供組件數(shù)量的可擴(kuò)展性和固有的相位穩(wěn)定性。光子波導(dǎo)中可實(shí)現(xiàn)的高模式限制產(chǎn)生較大的光學(xué)非線性和強(qiáng)電光響應(yīng)，這兩者對高效量子態(tài)生成和操控都非常重要。

薄膜鈮酸鋰已成為集成連續(xù)變量光量子技術(shù)的重要平臺。這種材料結(jié)合了多項(xiàng)理想特性，包括本征低傳播損耗、大電光系數(shù)（可實(shí)現(xiàn)快速電光調(diào)制器），以及高二階非線性（允許高效產(chǎn)生壓縮態(tài)）。之前使用周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)的演示達(dá)到了負(fù)3.4分貝的壓縮水平，但這些波導(dǎo)所需的大彎曲半徑限制了線路復(fù)雜度。最近使用鍵合到鉭酸鋰襯底上的脊型周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)的工作達(dá)到了令人印象深刻的負(fù)8分貝壓縮水平，但制造方法和相對較弱的限制阻礙了高密度集成線路的實(shí)現(xiàn)。

圖1：1550納米波長TE0模式和775納米波長TM2模式的模式功率分布，說明如何通過幾何色散工程實(shí)現(xiàn)相位匹配。有效折射率在約1微米波導(dǎo)寬度處相交，并且在輸入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中發(fā)生從TM0到TM2的模式轉(zhuǎn)換。

本工作中展示的創(chuàng)新在于采用模式相位匹配而非周期性極化來實(shí)現(xiàn)泵浦光和信號光之間必需的相位關(guān)系。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)光學(xué)橫模的幾何色散，研究人員可以在相隔一個(gè)倍頻程的波長之間實(shí)現(xiàn)相位匹配。這種方法對制造缺陷的敏感性較低，完全消除了復(fù)雜的極化過程，大幅簡化了器件制造。

器件設(shè)計(jì)利用雙折射和幾何色散來抵消775納米泵浦光和1550納米信號光之間的本征材料色散。使用Z切鈮酸鋰薄膜將非常折射率置于垂直平面內(nèi)，在器件平面內(nèi)產(chǎn)生各向同性的折射率。為了最小化傳播損耗，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在1550納米的基模準(zhǔn)橫電模和775納米的高階準(zhǔn)橫磁模之間實(shí)現(xiàn)相位匹配。這種配置允許更大的波導(dǎo)寬度，減少了側(cè)壁散射損耗，否則會降低性能。

設(shè)計(jì)采用較弱的d31非線性系數(shù)而非較強(qiáng)的d33項(xiàng)。雖然TM2泵浦模式和TE0信號模式之間的非線性重疊僅達(dá)到每庫侖0.8平方微米，相比兩個(gè)波長都使用基模可達(dá)到的每庫侖20平方微米，這種權(quán)衡是值得的。如果要在1550納米的基模TE0和高階TE2模式之間實(shí)現(xiàn)相位匹配，需要約700納米的波導(dǎo)頂部寬度，這會通過增強(qiáng)的側(cè)壁散射效應(yīng)大幅增加傳播損耗。

圖2：完整器件尺寸為580微米×520微米，顯示了帶有用于模式轉(zhuǎn)換的滑輪耦合器的環(huán)形諧振腔。TM0 775納米輸入光耦合到腔中的TM2模式，在那里通過參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生壓縮的TE0 1550納米光。

為了增強(qiáng)非線性效率，研究人員采用了設(shè)計(jì)為在泵浦和信號波長下均諧振的環(huán)形諧振腔。腔半徑70微米在低傳播損耗和高精細(xì)度之間取得了仔細(xì)的平衡。為了在775納米處實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合，需要滑輪耦合器配置，通過匹配波導(dǎo)和腔模式之間的有效折射率將模式從TM0轉(zhuǎn)換為TM2。輸入波導(dǎo)寬度0.1微米代表制造中可實(shí)現(xiàn)的可重復(fù)最小值，這需要腔頂部部分的寬度為1.16微米才能實(shí)現(xiàn)有效的模式轉(zhuǎn)換。由于模式相位匹配需要1.02微米寬度，腔體在上部模式轉(zhuǎn)換部分和下部相位匹配部分之間集成了25微米的線性錐形。

制造過程從商用晶圓開始，該晶圓具有鍵合到硅上熱生長的4.7微米二氧化硅上的500納米厚Z切鈮酸鋰薄膜。電子束光刻在負(fù)性光刻膠中定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，隨后使用氬等離子體進(jìn)行物理濺射，蝕刻0.4微米深度進(jìn)入鈮酸鋰薄膜。濕法化學(xué)清洗處理波導(dǎo)表面的材料再沉積，400攝氏度的熱退火降低了成品結(jié)構(gòu)中的傳播損耗。

圖3：耦合效率測量顯示1550納米信號光每個(gè)端面負(fù)2.2分貝，775納米泵浦光在最佳條件下為負(fù)3.67分貝。波長依賴性展示了自成像光柵耦合器精心設(shè)計(jì)的光譜響應(yīng)。

芯片上的光耦合利用了專門設(shè)計(jì)的具有負(fù)衍射角而非傳統(tǒng)正角的光柵耦合器。這種設(shè)計(jì)選擇允許大型光柵結(jié)構(gòu)衍射基本上所有傳播光，同時(shí)通過聚焦效應(yīng)實(shí)現(xiàn)與光纖模式的高重疊。測得的耦合效率對于1550納米光達(dá)到每個(gè)端面負(fù)2.2分貝，對于775納米光達(dá)到負(fù)3.67分貝。使用光纖陣列同時(shí)耦合兩個(gè)波長時(shí)，在信號波長的最佳耦合條件下，泵浦光效率降至負(fù)5.8分貝，這是由于所需聚焦高度的差異。光柵耦合器針對1550納米的TE模式和775納米的TM模式進(jìn)行了優(yōu)化。

鈮酸鋰集成平臺經(jīng)歷強(qiáng)烈的光折變效應(yīng)，其中光照引起的電荷遷移導(dǎo)致電光折射率變化。TM2泵浦模式和TE0信號模式之間的弱相互作用需要強(qiáng)泵浦場，這誘導(dǎo)了顯著的光折變效應(yīng)，使器件操作復(fù)雜化。測量顯示，當(dāng)以每秒0.5納米掃描時(shí)，諧振出現(xiàn)線性藍(lán)移，斜率為每毫瓦負(fù)17.4納米。光折變效應(yīng)產(chǎn)生特征性的鯊魚鰭傳輸光譜，而非表現(xiàn)出理想的洛倫茲線型，這種效應(yīng)隨著功率增加到5毫瓦而變得更加明顯，超過5毫瓦后諧振變得扭曲和展寬。

圖4：在每秒0.5納米掃描速度下的功率依賴測量顯示，隨著泵浦功率增加，從洛倫茲型演變?yōu)轷忯~鰭諧振形狀。改變掃描速度從每秒0.25到5納米表明，即使在高功率下，更快的掃描也能恢復(fù)洛倫茲線型，揭示了光折變折射率變化的時(shí)間依賴性質(zhì)。

諧振扭曲與激光波長掃描速度成反比。使用芯片上0.9毫瓦泵浦功率的測量顯示，特征性的洛倫茲諧振在高掃描速度下恢復(fù)，而即使在中等功率水平下，低速掃描也清楚地顯示鯊魚鰭特征。這種行為證實(shí)了光折變電荷重新分布的時(shí)間依賴性質(zhì)。1550納米的TE模式經(jīng)歷較弱的電光耦合且波長較高，導(dǎo)致信號波長的光折變諧振位移和扭曲可以忽略不計(jì)。

二次諧波產(chǎn)生為非線性轉(zhuǎn)換效率提供了重要指標(biāo)。當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，強(qiáng)光束轉(zhuǎn)換為其波長一半的光。這些器件能夠?qū)崿F(xiàn)從1550納米泵浦光到775納米輸出的二次諧波產(chǎn)生。當(dāng)兩個(gè)波長同時(shí)達(dá)到諧振時(shí)，出現(xiàn)產(chǎn)生的775納米光的峰值，功率按照二階非線性過程特有的關(guān)系隨輸入功率二次方縮放。

圖5：測得的二次諧波產(chǎn)生效率達(dá)到每瓦986%，由775納米輸出功率對1550納米輸入功率的二次依賴關(guān)系確定。該效率對應(yīng)于203毫瓦的振蕩閾值。波長掃描顯示泵浦光和產(chǎn)生的二次諧波光都有清晰的諧振峰。

強(qiáng)光折變效應(yīng)使775納米諧振位置發(fā)生位移，加上器件的全無源性質(zhì)，阻止了在用于壓縮測量的器件中實(shí)現(xiàn)同時(shí)諧振條件。因此，使用可以通過溫度調(diào)諧和波長調(diào)整建立諧振條件的不同器件來表征二次諧波產(chǎn)生。TM模式表現(xiàn)出比TE模式更高的溫度靈敏度，提供了調(diào)諧機(jī)制。通過控制芯片溫度和激光中心波長，在諧振條件和相位匹配之間達(dá)到了最佳平衡。測得的二次諧波產(chǎn)生效率達(dá)到每瓦986%，對應(yīng)于203毫瓦的振蕩閾值。

在測量壓縮之前，研究人員通過用強(qiáng)775納米泵浦場放大弱1550納米種子光束來表征參量增益。實(shí)驗(yàn)裝置將1550納米連續(xù)波激光器的光導(dǎo)向芯片，而同一激光器輸出的一部分被倍頻以提供775納米泵浦光。芯片安裝在帶有帕爾帖溫度控制的鋁塊上，允許通過溫度調(diào)整優(yōu)化雙諧振和相位匹配條件。

圖6：參量增益測量顯示在775納米泵浦下1550納米種子光束的放大和去放大。波紋是由于在波長掃描期間泵浦光在與種子光的相長和相消干涉之間振蕩造成的。光折變鯊魚鰭包絡(luò)線扭曲了增益輪廓，在芯片上10毫瓦功率下，諧振中心表現(xiàn)出3.15的放大因子和0.5的去放大。

典型的參量增益測量顯示出特征性的波紋，這是由于泵浦光在波長掃描通過諧振時(shí)與種子光進(jìn)行相長和相消干涉造成的。產(chǎn)生鯊魚鰭包絡(luò)線的光折變效應(yīng)也通過改變泵浦諧振頻率而使信號諧振保持不變來扭曲參量增益輪廓。因此，雙諧振條件僅在特定光功率下滿足。在芯片上10毫瓦泵浦功率下，1550納米諧振中心的測量顯示放大因子達(dá)到3.15，去放大降至0.5，對應(yīng)于約50毫瓦芯片上功率的光參量振蕩器閾值。

壓縮測量采用了更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，其中1550納米激光輸出分成兩路。大部分通過倍頻產(chǎn)生強(qiáng)775納米泵浦光，而其余部分用作零差探測的本振。來自同一激光器的5毫瓦本振光束確保與產(chǎn)生的壓縮光的相位相干。芯片前后均未使用光學(xué)濾波，允許直接評估器件性能。本振相位相對于壓縮光束以0.5赫茲掃描，使用帶寬為320兆赫茲的散粒噪聲限制零差探測器測量量子噪聲漲落。

圖7：實(shí)驗(yàn)配置顯示了產(chǎn)生和探測壓縮光的完整設(shè)置以及測得的量子效率。在5兆赫茲邊帶頻率下，芯片上6.9毫瓦泵浦功率的零跨度測量展示了負(fù)0.46分貝的壓縮和0.75分貝的反壓縮。功率依賴測量揭示了接近振蕩閾值的過程，而頻率依賴測量顯示了腔帶寬對壓縮性能的限制。

零差探測器的光電二極管具有85%的量子效率，可見度平方約為98%。由于器件損壞，耦合效率從之前表征的負(fù)2.2分貝降至負(fù)2.9分貝。來自光纖互連和不完美對準(zhǔn)的額外損耗導(dǎo)致總體光學(xué)效率約為45%。1550納米模式的腔逸出效率達(dá)到約55%，代表通過預(yù)期端口耦合出去而非因吸收或散射損失的腔內(nèi)光的比例。

在5兆赫茲邊帶頻率下的典型零跨度測量顯示，在芯片上6.9毫瓦泵浦功率下，壓縮和反壓縮水平分別為負(fù)0.46分貝和正0.75分貝。通過阻斷鈮酸鋰芯片的輸出來建立散粒噪聲參考水平。從這些壓縮和反壓縮測量中，估計(jì)系統(tǒng)總效率約為24%，考慮了測量鏈中的所有光學(xué)損耗和探測器低效率。

調(diào)節(jié)775納米泵浦功率需要由于光折變效應(yīng)為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)雙諧振。雖然波長固定以實(shí)現(xiàn)1550納米諧振，但通過仔細(xì)的溫度調(diào)整和泵浦功率調(diào)諧來建立775納米諧振。這僅提供了可以保持雙諧振的窄泵浦功率范圍，在這些窗口之外沒有測量到壓縮，這解釋了稀疏的數(shù)據(jù)收集。泵浦光耦合的穩(wěn)定性被證明非常關(guān)鍵，因?yàn)楣β首兓ㄟ^光折變效應(yīng)使泵浦諧振偏離信號諧振。

在較低的芯片上泵浦功率4.0毫瓦下，壓縮和反壓縮分別降至負(fù)0.34分貝和正0.55分貝。擬合到測量數(shù)據(jù)的理論模型包含了噪聲功率與相對振蕩閾值的泵浦功率之間的關(guān)系，并附加了考慮有限腔帶寬效應(yīng)的項(xiàng)。擬合得出總效率為20%，芯片上泵浦閾值約為200毫瓦，高于從參量增益測量估計(jì)的50毫瓦。這種差異可能源于在壓縮測量期間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定雙諧振條件的難度，相比參量增益表征。

在6.9毫瓦泵浦功率下的頻率依賴測量揭示了由于有限腔帶寬，壓縮和反壓縮隨邊帶頻率增加而預(yù)期降低。每個(gè)頻率點(diǎn)的單獨(dú)零跨度測量顯示壓縮水平有相對較大的變化，可歸因于測量之間的耦合效率波動。在325兆赫茲邊帶頻率下，壓縮和反壓縮分別降至負(fù)0.18分貝和正0.25分貝。對頻率依賴數(shù)據(jù)的理論模型擬合得出泵浦功率為閾值的2%，總效率23%，信號模式的腔帶寬為310兆赫茲。

這項(xiàng)演示確立了模式相位匹配作為在薄膜鈮酸鋰平臺上產(chǎn)生壓縮光的可行方法。達(dá)到的壓縮水平與使用更復(fù)雜周期性極化技術(shù)獲得的最佳結(jié)果相當(dāng)，同時(shí)提供了更簡單的制造工藝，無需具有挑戰(zhàn)性的極化過程。性能主要受三個(gè)因素限制：耦合損耗、光折變效應(yīng)以及實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波長同時(shí)諧振的難度。

解決耦合損耗代表了薄膜鈮酸鋰線路固有的工程挑戰(zhàn)。如果配合金屬背反射器，這里采用的負(fù)衍射角光柵耦合器可能達(dá)到接近負(fù)0.1分貝的耦合效率。估計(jì)芯片上產(chǎn)生的壓縮達(dá)到負(fù)1.5分貝，顯著超過測得的離芯片值，突顯了耦合損耗對觀測性能的影響。

鈮酸鋰固有的光折變效應(yīng)可以通過幾種方法緩解。在較高溫度下操作可降低光折變敏感性，而氧化鎂摻雜提供了另一種緩解策略。增加腔長度會降低給定輸入功率的諧振功率積累，從而減少光折變效應(yīng)。對于適度的長度增加，延長的相位匹配相互作用區(qū)域補(bǔ)償了諧振增強(qiáng)的降低，可能改善整體非線性效率。

降低的光折變效應(yīng)會產(chǎn)生更平緩的諧振頻率位移，使主動調(diào)諧能夠?qū)崿F(xiàn)雙諧振條件。這可以使可達(dá)到的泵浦功率更接近從參量增益測量估計(jì)的50毫瓦閾值。有限的可調(diào)性也可以通過集成局部加熱器或電光調(diào)制器來解決，補(bǔ)償可能伴隨更長諧振器設(shè)計(jì)的降低的可調(diào)性。研究人員估計(jì)，在接近50毫瓦振蕩閾值的泵浦下，使用當(dāng)前的光柵耦合器可以產(chǎn)生負(fù)1.2分貝的測量壓縮，在芯片上為負(fù)3.6分貝，超過使用具有類似振蕩閾值的周期性極化方案的性能。

腔內(nèi)的主動相位控制元件將增強(qiáng)長期器件穩(wěn)定性。由于壓縮水平嚴(yán)格依賴于保持兩個(gè)波長的諧振條件，耦合效率的任何漂移都會導(dǎo)致芯片上功率變化，通過光折變效應(yīng)使泵浦諧振相對于信號諧振發(fā)生位移。集成相位移位器可以主動補(bǔ)償這些漂移，顯著改善實(shí)際應(yīng)用中的器件可靠性。

展望長期發(fā)展，將模式相位匹配與分層極化方法相結(jié)合可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率和制造簡便性。分層極化帶來的非線性效率大幅提升將使振蕩閾值降低幾個(gè)數(shù)量級，而這里展示的模式相位匹配方案提供了靈活的腔配置和適當(dāng)?shù)母唠A模式激發(fā)。對兩個(gè)波長使用獨(dú)立的總線波導(dǎo)將實(shí)現(xiàn)耦合效率的獨(dú)立控制，允許強(qiáng)泵浦諧振以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)保持過耦合的信號輸出以獲得最大壓縮提取。這些進(jìn)展將使集成壓縮光源更接近實(shí)用量子計(jì)算應(yīng)用所需的性能水平，標(biāo)志著可擴(kuò)展光量子系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步。