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

技术摘要：利用具有外部色散补偿的波导光参数放大器实现宽带高水平压缩光

问题陈述
虽然波导光参数放大器（OPA）具有在太赫兹（THz）带宽内产生压缩光的潜力——远超传统光参量振荡器（OPO）的吉赫兹（GHz）限制——但表征这种宽带压缩光具有挑战性。在基于 OPA 的系统中，群速度色散（GVD）会导致相位空间中压缩轴的频率相关旋转。这种旋转导致在相位敏感放大（PSA）过程中，压缩正交分量与测量轴之间出现失配。因此，即使器件的相匹配带宽显著扩展，观测到的压缩度也会在较大的频率偏移处迅速下降，从而将有效测量带宽限制在约 1 THz。以往尝试使用色散补偿光纤来缓解这一问题的做法未能完全抵消波导内部积累的色散，且往往引入了过高的光学损耗。

方法论
作者提出并演示了一种包含外部色散补偿的两级波导 OPA 系统，以克服 GVD 引起的正交分量旋转。

• 系统架构： 该装置由一个工作在低增益机制下的第一级 OPA（$\text{OPA}_{\text{sqz}}$）组成，用于产生压缩真空；以及一个工作在高增益机制下的第二级 OPA（$\text{OPA}_{\text{meas}}$），用于 PSA 测量。在两级 OPA 之间插入了一个色散补偿（DC）元件。
• 理论框架： 作者开发了一个描述压缩与色散共同效应的统一理论模型。他们推导出了最优色散补偿条件，表明有效群速度色散（GDD）取决于压缩水平。最优补偿条件推导为 $D_{\text{dc}} \approx -D_{\text{sqz}} \frac{\tanh r_{\text{sqz}}}{2r_{\text{sqz}}} - D_{\text{meas}} \frac{\tanh r_{\text{meas}}}{2r_{\text{meas}}}$，其中 $D$ 代表群延迟色散，$r$ 代表压缩参数。
• 实验实现： 实验采用了周期性极化铌酸锂（PPLN）波导（生成阶段为 22 mm，测量阶段为 45 mm），泵浦频率为 388 THz。色散补偿通过放置在两个 OPA 之间的布儒斯特角（Brewster angle）处的熔融石英板来实现。实验采用了一个经典的探测光束和一个独立的锁定光束，以稳定两级 OPA 相位敏感操作所需的相位关系。输出通过光学频谱分析仪（OSA）直接进行测量。

核心贡献

1. 理论推导： 本文提供了一个用于确定级联 OPA 系统中最优外部色散补偿的解析框架，考虑了增益与色散之间的相互作用。
2. 实验演示： 作者成功实现了一种低损耗、自由空间配置，该配置在两个波导 OPA 之间集成了外部色散补偿。
3. 宽带表征： 该研究展示了一种实用的方法，用于表征对应于波导相匹配全带宽的压缩光，而非受限于色散诱导的旋转。

结果

• 压缩水平： 系统在载波频率附近实现了 5.9 dB 的最大压缩度。
• 带宽扩展： 在近乎最优的色散补偿（$D_{\text{DC}} = 1331 \text{ fs}^2$）下，系统在距离载波频率 4.5 THz 的偏移处仍能保持 超过 5 dB 的压缩度。
• 全带宽访问： 在高达 6 THz 的频率偏移处均确认了低于散粒噪声水平的压缩，这对应于波导 OPA 可达到的相匹配带宽。
• 优化： 实验证实，与无损耗理论预测相比，在存在光学损耗的情况下，最优补偿值会略微减小。此外，作者证明通过微调两级 OPA 的泵浦功率可以调节有效的正交分量旋转，这为连续可调的色散元件提供了一种灵活的替代方案。

意义
作者声称，这项工作建立了一种表征宽带压缩光的实用方法，克服了由波导系统中群速度色散所带来的带宽限制。通过实现跨越整个相匹配带宽（数个 THz）的压缩测量，该方法为超快连续变量量子信息处理迈出了关键一步。所演示的方案为宽带量子态的并行表征提供了一条可扩展的路径，这对于推进量子隐形传态、簇态生成以及基于测量的量子计算等技术至关重要。