Broadband High-Level Squeezed Light using Waveguide Optical Parametric Amplifiers with External Dispersion Compensation

技術要約：外部分散補償を用いた導波路光パラメトリック増幅器による広帯域高レベルスクイーズド光

問題提起
導波路光パラメトリック増幅器（OPA）は、従来の光パラメトリック発振器（OPO）のギガヘルツ（GHz）単位の限界を遥かに超えるテラヘルツ（THz）帯域にわたるスクイーズド光の生成を実現する可能性を秘めているが、この広帯域なスクイーズ特性を評価することは困難である。OPAベースのシステムでは、群速度分散（GVD）によって位相空間におけるスクイーズ軸の周波数依存の回転が生じる。この回転により、位相感受性増幅（PSA）におけるスクイーズド正負（quadrature）と測定軸との間にミスマッチが生じる。その結果、観測されるスクイーズ量は大きな周波数オフセットにおいて急速に劣化し、デバイスの位相整合帯域がさらに広く延びている場合でも、実効的な測定帯域は約1 THzに制限されてしまう。これらを分散補償ファイバーを用いて緩和しようとするこれまでの試みは、導波路内の累積分散を完全に相殺することに失敗しており、多くの場合、過剰な光損失を導入してしまっていた。

手法
著者らは、GVDによる正負の回転を克服するために、外部分散補償を組み込んだ2段階の導波路OPAシステムを提案し、実証した。

• システム構成: セットアップは、スクイーズド真空を生成するために低利得領域で動作する第1のOPA（$\text{OPA}_{\text{sqz}}$）と、PSA測定のために高利得領域で動作する第2のOPA（$\text{OPA}_{\text{meas}}$）で構成される。これら2つのステージの間に、分散補償（DC）素子が挿入されている。
• 理論的枠組み: 著者らは、スクイーズイングと分散の複合的な効果を記述する統一的な理論モデルを開発した。彼らは最適な分散補償条件を導出し、有効な群遅延分散（GDD）がスクイーズレベルに依存することを示した。最適補償条件は、$D_{\text{dc}} \approx -D_{\text{sqz}} \frac{\tanh r_{\text{sqz}}}{2r_{\text{sqz}}} - D_{\text{meas}} \frac{\tanh r_{\text{meas}}}{2r_{\text{meas}}}$ として導かれる。ここで、$D$は群遅延分散、$r$はスクイーズパラメータを表す。
• 実験的実装: 実験では、388 THzでポンプされた周期分極リチウムナイオベート（PPLN）導波路（生成用22 mm、測定用45 mm）を利用した。分散補償は、2つのOPAの間にブリュースター角で配置された溶融石英プレートによって行われた。また、2つのOPAの位相感受性動作に必要な位相関係を安定させるために、古典的なプローブ光と別途のロック光が用いられた。出力は光スペクトラムアナライザ（OSA）を用いて直接測定された。

主な貢献

1. 理論的導出: 本論文は、利得と分散の相互作用を考慮した、カスケードOPAシステムにおける最適な外部分散補償を決定するための解析的な枠組みを提供している。
2. 実験的実証: 著者らは、2つの導波路OPAの間に外部分散補償を統合した、低損失な自由空間構成を実装することに成功した。
3. 広帯域特性評価: 本研究は、分散による回転に制限されることなく、導波路の全位相整合帯域にわたってスクイーズド光を特性評価する実用的な手法を実証した。

結果

• スクイーズレベル: システムは、キャリア周波数付近で最大5.9 dBのスクイーズを達成した。
• 帯域幅の拡張: 近似的に最適な分散補償（$D_{\text{DC}} = 1331 \text{ fs}^2$）を用いることで、システムはキャリアから周波数オフセット4.5 THzまで5 dB以上のスクイーズを維持した。
• 全帯域へのアクセス: キャリアからの周波数オフセット6 THzまで、ショット雑音レベルを下回るスクイーズが確認された。これは、導波路OPAのアクセス可能な位相整合帯域に相当する。
• 最適化: 実験により、最適な補償値は、損失のない理論的予測と比較して、光損失が存在する場合にわずかに減少することが確認された。さらに、著者らは、OPAのポンプパワーを微調整することで実効的な正負の回転を調整できることを示し、連続的に調整可能な分散素体に代わる柔軟な選択肢を提示した。

意義
著者らは、本研究が、導波路ベースのシステムにおける群速度分散によって課される帯域幅の制限を克服し、スクイーズド光の広帯域な特性評価のための実用的な手法を確立したと主張している。スクイーズド光を（数THzに及ぶ）全位相整合帯域にわたって測定可能にすることで、このアプローチは、超高速連続変数量子情報処理に向けた重要なステップを提供する。実証されたスキームは、量子テレポーテーション、クラスター状態生成、および測定ベースの量子計算といった技術の進展に不可欠な、広帯域量子状態の並列的な特性評価へのスケーラブルな経路を提供するものである。