面向星地量子保密通信的高功率连续变量明亮压缩光源研究

杨文海，李 聪，李 渝，冷晗阳，刁文婷，蔡春晓，段崇棣

(1. 中国空间技术研究院西安分院，西安 710000;2. 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室，北京，100094)

0 引言

连续变量缩态光场作为一种非常重要的量子资源[1-3]，可以有效去除相干态光场的量子噪声，提高光学信号的信噪比和成像分辨率，使光学系统实现超越标准量子极限的探测灵敏度[4-5]。连续变量压缩态光场可分为真空压缩态光场和明亮压缩态光场。真空压缩态光场的平均振幅为零，光场功率等于零；明亮压缩态光场的平均振幅不为零，光场功率大于零。以上两类连续变量压缩态光场是根据光场的平均光子数进行的分类，由于其不同的物理特性，其应用场景也不相同。如真空压缩态可用于激光干涉仪中消除光场位相噪声[6]，明亮压缩态光场则可用于量子保密通信[7-9]。

基于二阶非线性光学效应的参量下转换过程是目前制备连续变量压缩态光场最有效的方法。国际上以引力波探测项目为牵引，有关连续变量压缩态光场的研究主要聚焦于真空压缩态光场的制备[6,10]。国内从事连续变量压缩态光场研究的单位较少，其中以山西大学郑耀辉课题组为代表，已经制备得到12.6 dB的明亮压缩态光场和13.8dB的真空压缩态光场[11-12]。本文采用光学参量放大过程和腔增强技术，设计了一种半整块谐振腔结构的光学参量放大器(optical parametric amplifier，OPA)，并基于新设计的OPA搭建了一套制备高功率明亮压缩态光场的实验系统。在增加注入光学参量放大器种子光功率的条件下，通过理论分析和实验优化泵浦光功率，实现了高功率明亮压缩态光场的稳定输出。

1 实验系统

图1为制备高功率连续变量明亮压缩态光场的实验系统。实验系统光源部分，采用山西大学光电研究所自研的高功率1 064 nm单频Nd:YVO4固体激光器作为基频光源；然后采用基于掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO:LiNbO3)的半整块倍频腔，通过临界相位匹配技术倍频获得二次谐波532 nm激光。实验系统的核心部分是产生连续变量高功率压缩态光场的OPA，由周期极化磷酸氧钛钾晶体(periodically poled KTiOPO4，PPKTP)和一片凹面腔镜构成的半整块驻波腔。实验系统的探测部分采用平衡零拍探测装置测量明亮压缩态光场的噪声功率。我们在实验系统基频光路、二次谐波光路和平衡零拍探测本底光路中均插入作为模式清洁器的三镜环形腔，用于优化系统各部分光束质量、提高光场与光学谐振腔模式匹配效率以及减少光场携带的相对强度噪声和位相噪声。此外，为了增强实验系统机械结构的稳定性和控制精度，改进了光学谐振腔和移相器的机械结构以及电光相位调制器和探测器的电子学性能[13-14]。

图1 高功率明亮压缩态光场实验系统Fig.1 Experimental system of high-power bright squeezed state

制备连续变量高功率明亮压缩态光场的实验过程如下：高功率1 064 nm单频Nd:YVO4固体激光器输出的激光光场注入模式清洁器优化空间模式后,经90/10分束器分为两束，一束作为平衡零拍探测系统的本底光，用于放大所要测量的压缩态光场的正交分量的噪声功率；另一束经10/90分束器一分为二，一部分作为基频光注入倍频腔用于产生532 nm的二次谐波光场，另一部分作为种子光与泵浦光一同注入OPA用于产生明亮压缩态光场。

为了通过该实验系统获得高功率的明亮压缩态光场，需要将高功率的种子光注入OPA。高功率种子光注入OPA后，将给泵浦光场和种子光场相对位相的精确锁定以及OPA腔长的稳定控制带来巨大的挑战。

2 实验过程与实验结果

OPA输出压缩态光场的压缩度由下列公式决定：

(1)

本文通过实验测量得知OPA的阈值为228 mW，线宽为69 MHz，根据文献[15]的经验值，我们选择在分析频率3 MHz处测量OPA输出明亮压缩态光场的噪声功率。然后通过进一步实验研究发现，在泵浦光功率为145 mW，种子光功率为500 mW时，在分析频率3 MHz处可以测得光功率为200 μW，最大压缩度为10 dB的明亮压缩态光场稳定输出，如图2所示。继续增加种子光功率，OPA腔长的锁定、泵浦光和种子光相对位相的锁定急剧恶化，导致输出的明亮压缩态光场的各项指标不再稳定。据此实验结果可知泵浦因子的最佳取值为α=0.8，此时OPA输出的明亮压缩态光场的功率和压缩度最高、最稳定。根据上述公式，结合明亮压缩态光场的压缩度测量值，还可以计算出，该条件下明亮压缩态光场从OPA传输到平衡零拍探测器的传输效率为91%。

图2 高功率明亮压缩态光场的噪声功率Fig.2 Noise power of high-power bright squeezed light field

3 结论

高功率连续变量明亮压缩态光场作为一种重要的非经典光场，其实验制备技术已经比较成熟，具备研制面向星地量子保密通信工程样机的技术条件。本文通过理论分析实验结果，优化了高功率连续变量明亮压缩态光场实验系统的工作参数，获得了光功率为200 μW，压缩度为10 dB的明亮压缩态光场的稳定输出，该指标已达到国际领先水平，为研制连续变量量子光源奠定了坚实基础。