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

Resumo Técnico: 18 dB de compressão de vácuo on-chip em um guia de onda de niobato de lítio com polarização adaptativa

Enunciação do Problema
Estados quânticos comprimidos de luz oferecem o potencial de superar os limites clássicos de medição e habilitar processamento avançado de informação quântica. No entanto, gerar esses estados em um formato escalável e de baixa perda permanece um desafio significativo. Embora osciladores paramétricos ópticos (OPOs) de volume tenham alcançado níveis de compressão de até 15 dB, eles carecem das vantagens de tamanho, peso e potência (SWaP) dos circuitos fotônicos integrados (PICs). O niobato de lítio em filme fino (TFLN) é uma plataforma líder para compressão integrada devido ao seu confinamento modal apertado e grandes coeficientes não lineares de segunda ordem. No entanto, implementações anteriores de TFLN foram limitadas por altas perdas de propagação, dificuldades em manter o casamento de fase quase (QPM) ao longo de longas distâncias devido a variações na espessura do filme e a estabilização térmica rigorosa exigida por abordagens ressonantes. Além disso, inferir com precisão o desempenho real de compressão on-chip é complicado pela dificuldade de distinguir entre perdas de propagação, perdas de acoplamento de facetas e ruído de fase, particularmente em regimes de alto ganho onde a mistura de ruído de vácuo se torna significativa.

Metodologia
Os autores demonstram compressão quântica de onda contínua (CW) utilizando um guia de onda viajante de niobato de lítio em filme fino com polarização periódica (PP-TFLN) e polarização adaptativa, com 1,6 cm de comprimento. O dispositivo é fabricado em uma pastilha TFLN X-cut dopada com MgO, com 600 nm de espessura. Para abordar o desafio de variações de espessura em escala nanométrica no filme de TFLN, que perturbam o casamento de fase, a equipe mapeou a espessura da pastilha antes da polarização e adaptou o período local de polarização para manter um comprimento de onda QPM constante ao longo de todo o comprimento do dispositivo. Essa estratégia de polarização adaptativa permite uma alta eficiência de geração de segunda harmônica (SHG) de 2740 % W⁻¹.

Para quantificar rigorosamente o desempenho on-chip, os autores desenvolveram um modelo distribuído de perdas e compressão. Diferentemente de abordagens anteriores que aproximam as perdas como elementos concentrados, este modelo considera a geração contínua de compressão e a mistura simultânea de ruído de vácuo devido à perda de propagação ao longo do guia de onda. A metodologia envolve:

1. Medições Bidirecionais de SHG: Medir a eficiência de SHG nas direções de propagação forward e backward para caracterizar as perdas de acoplamento de facetas tanto nos comprimentos de onda de telecomunicações (fundamental) quanto visíveis (segunda harmônica).
2. Solver Não Linear: Utilizar um algoritmo de Levenberg-Marquardt para resolver um sistema de equações não lineares que relacionam a transmissão medida, eficiências de SHG bidirecionais e modelos teóricos de compressão on-chip. Isso permite a determinação independente de perdas de facetas, ruído de fase e força de interação não linear sem assumir perdas simétricas.
3. Simulações de Monte Carlo: Incorporar simulações de Monte Carlo dentro do solver para propagar incertezas experimentais e estabelecer intervalos de confiança para os parâmetros inferidos.

Principais Resultados

• Desempenho Medido: Com uma potência de bombeio de 205 mW, o dispositivo produziu uma compressão medida de -0,66 ± 0,35 dB e anti-compressão de +13,22 ± 0,44 dB. A compressão medida foi limitada principalmente por perdas de detecção (incluindo acoplamento de facetas) e ruído de fase (estimado em ~37 mrad).
• Desempenho Inferido On-Chip: Utilizando o modelo distribuído, os autores inferiram um nível recorde de compressão on-chip de -18,06 ± 0,43 dB e anti-compressão de +20,64 ± 0,35 dB.
• Validação Estatística: O intervalo de confiança de 95% para a compressão on-chip é calculado como [-18,96, -17,25] dB.
• Características do Dispositivo: O guia de onda exibe uma baixa perda de propagação de 0,1 dB/cm (fatores de qualidade intrínsecos de ~3,2 milhões em 1570 nm). O design de polarização adaptativa resultou em um único pico dominante de SHG com desvio mínimo da resposta ideal do seno ao quadrado.

Significado e Alegações
O artigo alega que este trabalho representa a maior compressão relatada para qualquer plataforma fotônica integrada até a data. Estabelece o niobato de lítio em filme fino como uma plataforma de alto desempenho e escalável para sensoriamento, comunicações e computação quântica de variáveis contínuas.

As principais contribuições destacadas pelos autores incluem:

1. Primeira Validação Estatística Sem Suposições: Este é o primeiro trabalho a empregar um modelo distribuído e bidirecional para inferir compressão on-chip com tal alta precisão, evitando os erros associados a aproximações de perdas concentradas.
2. Compressão CW Escalável: O dispositivo alcança altos níveis de compressão utilizando bombeio de onda contínua em uma ordem de magnitude menor de potência de pico do que esquemas pulsados, ao mesmo tempo em que evita a complexidade de travamento de cavidade e estabilização Pound–Drever–Hall exigida por sistemas ressonantes.
3. Insights de Engenharia: O estudo demonstra que, em altos níveis de compressão, mesmo perdas ópticas subporcentuais e ruído de fase na ordem de dezenas de miliradianos desempenham um papel não negligenciável, sublinhando a importância crítica da engenharia de perdas e ruído distribuídos em sistemas de onda viajante.

Os autores observam que, embora o dispositivo atual seja limitado por perdas de facetas e profundidade de polarização, melhorias futuras no comprimento do guia de onda, perda de propagação (aproximando-se de 1,3 dB/m) e eficiência de SHG poderiam teoricamente impulsionar a compressão on-chip em direção a -32 dB.