18-dB on-chip vacuum squeezing in an adaptively poled lithium niobate waveguide

ملخص تقني: ضغط الفراغ بمقدار 18 ديسيبل داخل الرقاقة في موجه موجي من النيوبات الليثيوم ذات القطبية التكيفية

بيان المشكلة
توفر حالات الضغط الكمي للضوء إمكانات لتجاوز الحدود الكلاسيكية للقياس وتمكين المعالجة المتقدمة للمعلومات الكمية. ومع ذلك، فإن توليد هذه الحالات بتنسيق قابل للتوسع ومنخفض الفقد يظل تحديًا كبيرًا. وبينما حققت المذبذبات البارامترية الضوئية (OPOs) في الحجم الكامل مستويات ضغط تصل إلى 15 ديسيبل، إلا أنها تفتقر إلى مزايا الحجم والوزن والقدرة (SWaP) التي توفرها الدوائر الضوئية المتكاملة (PICs). وتعد رقائق النيوبات الليثيوم رقيقة الغشاء (TFLN) منصة رائدة للضغط المتكامل نظرًا لتركيزها النمطي المحكم ومعاملاتها غير الخطية من الدرجة الثانية الكبيرة. ومع ذلك، كانت تطبيقات TFLN السابقة محدودة بسبب فقد الانتشار العالي، وصعوبات الحفاظ على مطابقة الطور شبه الطورية (QPM) عبر مسافات طويلة بسبب تغيرات سمك الغشاء، والحاجة الماسة لاستقرار درجة الحرارة في النهج الرنيني. علاوة على ذلك، فإن استنتاج أداء الضغط الحقيقي داخل الرقاقة بدقة أمر معقد بسبب صعوبة التمييز بين خسائر الانتشار، وخسائر اقتران الواجهة، وضجيج الطور، لا سيما في أنظمة الكسب العالي حيث يصبح خلط ضوضاء الفراغ أمرًا جوهريًا.

المنهجية
يستعرض المؤلفون ضغطًا مستمر الموجة (CW) بمقدار 1.6 سم، باستخدام موجه موجي من النيوبات الليثيوم رقيقة الغشاء ذات القطبية الدورية (PP-TFLN) ذات الموجة المسافرة والتكيفية. تم تصنيع الجهاز على رقاقة TFLN من نوع X-cut مدعمة بالمغنيسيوم بسمك 600 نانومتر. ولمعالجة تحدي التغيرات في السمك على مقياس النانومتر في غشاء TFLN، والتي تعطل مطابقة الطور، قام الفريق برسم خريطة لسمك الرقاقة قبل عملية القطبية وتكييف فترة القطبية المحلية للحفاظ على طول موجي ثابت لـ QPM عبر طول الجهاز بالكامل. تتيح استراتيجية القطبية التكيفية هذه تحقيق كفاءة عالية في توليد التوافق الثاني (SHG) تصل إلى 2740 % W⁻¹.

ولتقدير الأداء داخل الرقاقة بدقة، طور المؤلفون نموذجًا موزعًا للفقد والضغط. وبخلاف النهج السابقة التي تعتبر الفقد عناصر مجمعة، يأخذ هذا النموذج في الاعتبار التوليد المستمر للضغط والخلط المتزامن لضوضاء الفراغ بسبب فقد الانتشار على طول موجه الموجة. تتضمن المنهجية ما يلي:

1. قياسات SHG ثنائية الاتجاه: قياس كفاءة SHG في كل من اتجاهي الانتشار الأمامي والخلفي لتوصيف خسائر اقتران الواجهة عند كل من أطوال موجات الاتصالات (الأساسي) والمرئية (التوافق الثاني).
2. المحلل غير الخطي: استخدام خوارزمية Levenberg-Marquert لحل نظام من المعادلات غير الخطية التي تربط بين الإرسال المقاس، وكفاءات SHG ثنائية الاتجاه، ونماذج الضغط النظرية داخل الرقاقة. يتيح ذلك التحديد المستقل لخسائر الواجهة، وضجيج الطور، وقوة التفاعل غير الخطي دون افتراض خسائر متماثلة.
3. محاكاة مونت كارلو: دمج محاكاة مونت كارلو داخل المحلل لنشر حالات عدم اليقين التجريبية وتحديد فترات الثقة للمعلمات المستنتجة.

النتائج الرئيسية

• الأداء المقاس: عند قدرة ضخ تبلغ 205 ميلي واط، أنتج الجهاز ضغطًا مقاسًا قدره -0.66 ± 0.35 ديسيبل وضغطًا مضادًا (anti-squeezing) قدره +13.22 ± 0.44 ديسيبل. كان الضغط المقاس محدودًا بشكل أساسي بخسائر الكشف (بما في ذلك اقتران الواجهة) وضجيج الطور (المقدر بنحو ~37 مللي راديان).
• الأداء المستنتج داخل الرقاقة: باستخدام النموذج الموزع، استنتج المؤلفون مستوى ضغط قياسي داخل الرقاقة بلغ -18.06 ± 0.43 ديسيبل وضغطًا مضادًا قدره +20.64 ± 0.35 ديسيبل.
• التحقق الإحصائي: تم حساب فاصل الثقة 95% للضغط داخل الرقاقة ليكون [-18.96, -17.25] ديسيبل.
• خصائص الجهاز: يتميز موجه الموجة بفقد انتشار منخفض قدره 0.1 ديسيبل/سم (عوامل جودة داخلية تبلغ ~3.2 مليون عند 1570 نانومتر). أدت تصميم القطبية التكيفية إلى ظهور ذروة SHG مهيمنة واحدة مع حد أدنى من الانحراف عن استجابة sinc-squared المثالية.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث أن هذا العمل يمثل أعلى مستوى ضغط تم تسجيله لأي منصة ضوئية متكاملة حتى الآن. وهو يثبت أن النيوبات الليثيوم رقيقة الغشاء منصة عالية الأداء وقابلة للتوسع للاستشعار المستمر المتغير، والاتصالات، والحوسبة.

تشمل المساهمات الرئيسية التي سلط المؤلفون الضوء عليها ما يلي:

1. أول تحقق إحصائي خالٍ من الافتراضات: يعد هذا العمل الأول الذي يستخدم نموذجًا موزعًا وثنائي الاتجاه لاستنتاج الضغط داخل الرقاقة بهذه الدقة العالية، متجنبًا الأخطاء المرتبطة بافتراضات الفقد المجمعة.
2. ضغط مستمر الموجة (CW) قابل للتوسع: يحقق الجهاز مستويات ضغط عالية باستخدام ضخ مستمر الموجة بقدرة ذروة أقل برتبة مقدار من المخططات النبضية، مع تجنب تعقيد قفل التجويف واستقرار Pound–Drever–Hall المطلوب في الأنظمة الرنينية.
3. رؤى هندسية: توضح الدراسة أنه عند مستويات الضغط العالية، حتى الخسائر الضوئية التي تقل عن 1% وضجيج الطور على مقياس عشرات مللي راديان يلعب دورًا غير مهمل، مما يؤكد الأهمية القصوى لهندسة الفقد الموزع والضوضاء في أنظمة الموجة المسافرة.

يشير المؤلفون إلى أنه بينما يقتصر الجهاز الحالي على خسائر الواجهة وعمق القطبية، فإن التحسينات المستقبلية في طول موجه الموجة، وفقد الانتشار (الاقتراب من 1.3 ديسيبل/متر)، وكفاءة SHG يمكن أن تدفع نظريًا الضغط داخل الرقاقة نحو -32 ديسيبل.