光波导参量振荡压缩器

The light field of squeezed state is the important carrier of continuous variable quantum information. Optical parametric oscillator（OPO）has been proved to be an effective tool to generate light in a squeezed sate. But the light spot in the nonlinear crystal can't be too small and the length of the crystal also can't be too long. This requires a large pump power. However, optical waveguide can narrow the spot size, enhance nonlinear interaction, and thereby reduce the pump power. This project intends to study the waveguide parametric oscillation squeezer. To simplify the problems, we only study the waveguide in PPKTP crystal, which is produced by ion exchange or laser direct writing technology. On the basis of the analysis of waveguide mode field distributions, the additional noise and nonlinear coupling efficiency will be analyzed quantitatively. Then adding two reflectors or coating at the two sides of the waveguide, forms an OPO. Through building Lengevin equations and theoretical analysis, low power dissipation OPO squeezer is finally expected to obtain in the experiment, which can output the light fields of squeezed vacuum state, quadrature phase and amplitude squeezed state. Light from waveguide OPO can use a variety of mature fiber optics technology and construct quantum communication network. Also OPO squeezers are easily integrated onto the chip to process quantum information. This research will provide helps to design other types of second-nonlinear waveguide squeezing devices.

压缩态光场是连续变量量子信息的重要载体。光学参量振荡器被证明是产生压缩态光场的有效工具，但是由于非线性晶体中的光斑不能太小，晶体也不能太长，要求有较大的泵浦功率。利用光波导可以缩小光斑尺寸，增强非线性相互作用，从而降低泵浦功率。本项目拟对光波导参量振荡压缩器展开研究。为了使问题简单化，本项目只针对利用离子交换或激光直写技术在周期极化KTP晶体上形成的波导，在分析导模空间场分布的基础之上，定量分析波导内的额外噪声和非线性耦合效率，然后在此光波导两端加适当反射率的腔镜或镀膜，最终建立此光波导参量振荡器的理论分析方法，并实现可以输出压缩真空态、正交振幅压缩态和正交位相压缩态的低功耗光波导参量振荡压缩器。光波导参量振荡压缩器的输出光可以利用各种成熟的光纤光学技术，构建量子通讯网络。同时光波导压缩器也容易集成到芯片上，进行量子信息处理。本项目的研究也将为实现其他类型的光波导压缩器件奠定基础。

压缩态光场是连续变量量子信息的重要载体。光学参量振荡器被证明是产生压缩态光场的有效工具，但是由于非线性晶体中的光斑不能太小，晶体也不能太长，要求有较大的泵浦功率。利用光波导可以缩小光斑尺寸，增强非线性相互作用，从而降低泵浦功率。另外，纠缠态光场与贵金属相互作用，会激发一种物态，叫做表面等离激元，它的量子特性开始被人们重视起来，因为它的局域场增强效应和突破衍射极限的光场操控能力，也非常适合集成量子器件的的应用需求。本项目完成了一些相关方面的物理基础研究。主要内容如下：. 1.研究了周期极化非线性的模场分布和参量振荡特性。分析了波导中基波和二次谐波的基模模场分布与波导芯层和包层的折射率对比的关系。结果表明单纯减少芯区面积，并不能提高波导的场约束能力增强非线性效应，芯层与包层采用高折射率对比结构的波导比低折射率对比结构的波导模场尺寸更小，而且在两种结构的波导中，基波和二次谐波的模场分布近似相同，基波模场面积略大。在4毫瓦红外光泵浦时，得到30微瓦倍频绿光。. 2.光学参量放大器（NOPA）级联时产生压缩态和纠缠态光场的量子极限。理论推导得到了量子极限的表达式。分析表明COPA可以在低泵浦参数下获得宽带宽压缩，腔的输出效率是限制COPA压缩度提高的主要因素。. 3.研究了连续变量纠缠态光场的超透射行为。我们用聚焦离子束在金膜上加工了六角对称的金属纳米圆孔阵列，这种小孔阵列透射光时不改变入射光的偏振方向，而且透射率比较高。NOPA产生的偏振垂直的纠缠态光场经透镜会聚后穿过这钟金属小孔阵列，用贝尔态直接探测的方法，仍可测得透射光具有纠缠特性。而且利用反馈控制的方法，可有效利用金属表面的反射光，减少损耗对量子态的破坏，从而提高透射光的纠缠度。. 4.研究了一种新的贝尔态直接探测方案。纠缠态的测量一般用两套平衡零拍探测系统。2002年山西大学光电所发明了一种叫做贝尔态直接测量的方法，可以不用本地光，测量正交振幅反关联、正交位相正关联的纠缠态。对于正交振幅正关联、正交位相反关联的纠缠态，已有的测量方法是两套平衡零拍探测、两套Mach-Zehnder（MZ）干涉仪，或者间接测量，本文用一套非平衡光纤MZ干涉仪测量正交振幅正关联、正交位相反关联的纠缠态。