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压缩光态是量子光学中最引人入胜的现象之一。普通光的量子噪声在所有测量方向上均匀涨落，而压缩光在一个测量正交分量中表现出低于标准量子极限的噪声，代价是在正交方向上噪声增加。这种低于标准量子极限的噪声抑制使压缩光成为连续变量量子信息处理不可或缺的资源。应用范围涵盖操纵光量子特性的量子计算协议、利用纠缠实现安全传输的量子通信系统，以及能够实现超越经典精度测量的量子传感器件。

传统的量子光学系统采用自由空间光学实现，占用大量实验室空间，且单个组件的固有不稳定性带来显著挑战。这对开发大规模复杂量子系统构成障碍。集成光子技术提供了优雅的解决方案，通过精确控制光路长度提供组件数量的可扩展性和固有的相位稳定性。光子波导中可实现的高模式限制产生较大的光学非线性和强电光响应，这两者对高效量子态生成和操控都非常重要。

薄膜铌酸锂已成为集成连续变量光量子技术的重要平台。这种材料结合了多项理想特性，包括本征低传播损耗、大电光系数（可实现快速电光调制器），以及高二阶非线性（允许高效产生压缩态）。之前使用周期性极化铌酸锂波导的演示达到了负3.4分贝的压缩水平，但这些波导所需的大弯曲半径限制了线路复杂度。最近使用键合到钽酸锂衬底上的脊型周期性极化铌酸锂波导的工作达到了令人印象深刻的负8分贝压缩水平，但制造方法和相对较弱的限制阻碍了高密度集成线路的实现。

图1：1550纳米波长TE0模式和775纳米波长TM2模式的模式功率分布，说明如何通过几何色散工程实现相位匹配。有效折射率在约1微米波导宽度处相交，并且在输入波导结构中发生从TM0到TM2的模式转换。

本工作中展示的创新在于采用模式相位匹配而非周期性极化来实现泵浦光和信号光之间必需的相位关系。通过仔细设计光学横模的几何色散，研究人员可以在相隔一个倍频程的波长之间实现相位匹配。这种方法对制造缺陷的敏感性较低，完全消除了复杂的极化过程，大幅简化了器件制造。

器件设计利用双折射和几何色散来抵消775纳米泵浦光和1550纳米信号光之间的本征材料色散。使用Z切铌酸锂薄膜将非常折射率置于垂直平面内，在器件平面内产生各向同性的折射率。为了最小化传播损耗，设计目标是在1550纳米的基模准横电模和775纳米的高阶准横磁模之间实现相位匹配。这种配置允许更大的波导宽度，减少了侧壁散射损耗，否则会降低性能。

设计采用较弱的d31非线性系数而非较强的d33项。虽然TM2泵浦模式和TE0信号模式之间的非线性重叠仅达到每库仑0.8平方微米，相比两个波长都使用基模可达到的每库仑20平方微米，这种权衡是值得的。如果要在1550纳米的基模TE0和高阶TE2模式之间实现相位匹配，需要约700纳米的波导顶部宽度，这会通过增强的侧壁散射效应大幅增加传播损耗。

图2：完整器件尺寸为580微米×520微米，显示了带有用于模式转换的滑轮耦合器的环形谐振腔。TM0 775纳米输入光耦合到腔中的TM2模式，在那里通过参量下转换产生压缩的TE0 1550纳米光。

为了增强非线性效率，研究人员采用了设计为在泵浦和信号波长下均谐振的环形谐振腔。腔半径70微米在低传播损耗和高精细度之间取得了仔细的平衡。为了在775纳米处实现强耦合，需要滑轮耦合器配置，通过匹配波导和腔模式之间的有效折射率将模式从TM0转换为TM2。输入波导宽度0.1微米代表制造中可实现的可重复最小值，这需要腔顶部部分的宽度为1.16微米才能实现有效的模式转换。由于模式相位匹配需要1.02微米宽度，腔体在上部模式转换部分和下部相位匹配部分之间集成了25微米的线性锥形。

制造过程从商用晶圆开始，该晶圆具有键合到硅上热生长的4.7微米二氧化硅上的500纳米厚Z切铌酸锂薄膜。电子束光刻在负性光刻胶中定义波导结构，随后使用氩等离子体进行物理溅射，蚀刻0.4微米深度进入铌酸锂薄膜。湿法化学清洗处理波导表面的材料再沉积，400摄氏度的热退火降低了成品结构中的传播损耗。

图3：耦合效率测量显示1550纳米信号光每个端面负2.2分贝，775纳米泵浦光在最佳条件下为负3.67分贝。波长依赖性展示了自成像光栅耦合器精心设计的光谱响应。

芯片上的光耦合利用了专门设计的具有负衍射角而非传统正角的光栅耦合器。这种设计选择允许大型光栅结构衍射基本上所有传播光，同时通过聚焦效应实现与光纤模式的高重叠。测得的耦合效率对于1550纳米光达到每个端面负2.2分贝，对于775纳米光达到负3.67分贝。使用光纤阵列同时耦合两个波长时，在信号波长的最佳耦合条件下，泵浦光效率降至负5.8分贝，这是由于所需聚焦高度的差异。光栅耦合器针对1550纳米的TE模式和775纳米的TM模式进行了优化。

铌酸锂集成平台经历强烈的光折变效应，其中光照引起的电荷迁移导致电光折射率变化。TM2泵浦模式和TE0信号模式之间的弱相互作用需要强泵浦场，这诱导了显著的光折变效应，使器件操作复杂化。测量显示，当以每秒0.5纳米扫描时，谐振出现线性蓝移，斜率为每毫瓦负17.4纳米。光折变效应产生特征性的鲨鱼鳍传输光谱，而非表现出理想的洛伦兹线型，这种效应随着功率增加到5毫瓦而变得更加明显，超过5毫瓦后谐振变得扭曲和展宽。

图4：在每秒0.5纳米扫描速度下的功率依赖测量显示，随着泵浦功率增加，从洛伦兹型演变为鲨鱼鳍谐振形状。改变扫描速度从每秒0.25到5纳米表明，即使在高功率下，更快的扫描也能恢复洛伦兹线型，揭示了光折变折射率变化的时间依赖性质。

谐振扭曲与激光波长扫描速度成反比。使用芯片上0.9毫瓦泵浦功率的测量显示，特征性的洛伦兹谐振在高扫描速度下恢复，而即使在中等功率水平下，低速扫描也清楚地显示鲨鱼鳍特征。这种行为证实了光折变电荷重新分布的时间依赖性质。1550纳米的TE模式经历较弱的电光耦合且波长较高，导致信号波长的光折变谐振位移和扭曲可以忽略不计。

二次谐波产生为非线性转换效率提供了重要指标。当满足相位匹配条件时，强光束转换为其波长一半的光。这些器件能够实现从1550纳米泵浦光到775纳米输出的二次谐波产生。当两个波长同时达到谐振时，出现产生的775纳米光的峰值，功率按照二阶非线性过程特有的关系随输入功率二次方缩放。

图5：测得的二次谐波产生效率达到每瓦986%，由775纳米输出功率对1550纳米输入功率的二次依赖关系确定。该效率对应于203毫瓦的振荡阈值。波长扫描显示泵浦光和产生的二次谐波光都有清晰的谐振峰。

强光折变效应使775纳米谐振位置发生位移，加上器件的全无源性质，阻止了在用于压缩测量的器件中实现同时谐振条件。因此，使用可以通过温度调谐和波长调整建立谐振条件的不同器件来表征二次谐波产生。TM模式表现出比TE模式更高的温度灵敏度，提供了调谐机制。通过控制芯片温度和激光中心波长，在谐振条件和相位匹配之间达到了最佳平衡。测得的二次谐波产生效率达到每瓦986%，对应于203毫瓦的振荡阈值。

在测量压缩之前，研究人员通过用强775纳米泵浦场放大弱1550纳米种子光束来表征参量增益。实验装置将1550纳米连续波激光器的光导向芯片，而同一激光器输出的一部分被倍频以提供775纳米泵浦光。芯片安装在带有帕尔帖温度控制的铝块上，允许通过温度调整优化双谐振和相位匹配条件。

图6：参量增益测量显示在775纳米泵浦下1550纳米种子光束的放大和去放大。波纹是由于在波长扫描期间泵浦光在与种子光的相长和相消干涉之间振荡造成的。光折变鲨鱼鳍包络线扭曲了增益轮廓，在芯片上10毫瓦功率下，谐振中心表现出3.15的放大因子和0.5的去放大。

典型的参量增益测量显示出特征性的波纹，这是由于泵浦光在波长扫描通过谐振时与种子光进行相长和相消干涉造成的。产生鲨鱼鳍包络线的光折变效应也通过改变泵浦谐振频率而使信号谐振保持不变来扭曲参量增益轮廓。因此，双谐振条件仅在特定光功率下满足。在芯片上10毫瓦泵浦功率下，1550纳米谐振中心的测量显示放大因子达到3.15，去放大降至0.5，对应于约50毫瓦芯片上功率的光参量振荡器阈值。

压缩测量采用了更复杂的实验装置，其中1550纳米激光输出分成两路。大部分通过倍频产生强775纳米泵浦光，而其余部分用作零差探测的本振。来自同一激光器的5毫瓦本振光束确保与产生的压缩光的相位相干。芯片前后均未使用光学滤波，允许直接评估器件性能。本振相位相对于压缩光束以0.5赫兹扫描，使用带宽为320兆赫兹的散粒噪声限制零差探测器测量量子噪声涨落。

图7：实验配置显示了产生和探测压缩光的完整设置以及测得的量子效率。在5兆赫兹边带频率下，芯片上6.9毫瓦泵浦功率的零跨度测量展示了负0.46分贝的压缩和0.75分贝的反压缩。功率依赖测量揭示了接近振荡阈值的过程，而频率依赖测量显示了腔带宽对压缩性能的限制。

零差探测器的光电二极管具有85%的量子效率，可见度平方约为98%。由于器件损坏，耦合效率从之前表征的负2.2分贝降至负2.9分贝。来自光纤互连和不完美对准的额外损耗导致总体光学效率约为45%。1550纳米模式的腔逸出效率达到约55%，代表通过预期端口耦合出去而非因吸收或散射损失的腔内光的比例。

在5兆赫兹边带频率下的典型零跨度测量显示，在芯片上6.9毫瓦泵浦功率下，压缩和反压缩水平分别为负0.46分贝和正0.75分贝。通过阻断铌酸锂芯片的输出来建立散粒噪声参考水平。从这些压缩和反压缩测量中，估计系统总效率约为24%，考虑了测量链中的所有光学损耗和探测器低效率。

调节775纳米泵浦功率需要由于光折变效应为每个数据点单独实现双谐振。虽然波长固定以实现1550纳米谐振，但通过仔细的温度调整和泵浦功率调谐来建立775纳米谐振。这仅提供了可以保持双谐振的窄泵浦功率范围，在这些窗口之外没有测量到压缩，这解释了稀疏的数据收集。泵浦光耦合的稳定性被证明非常关键，因为功率变化通过光折变效应使泵浦谐振偏离信号谐振。

在较低的芯片上泵浦功率4.0毫瓦下，压缩和反压缩分别降至负0.34分贝和正0.55分贝。拟合到测量数据的理论模型包含了噪声功率与相对振荡阈值的泵浦功率之间的关系，并附加了考虑有限腔带宽效应的项。拟合得出总效率为20%，芯片上泵浦阈值约为200毫瓦，高于从参量增益测量估计的50毫瓦。这种差异可能源于在压缩测量期间实现稳定双谐振条件的难度，相比参量增益表征。

在6.9毫瓦泵浦功率下的频率依赖测量揭示了由于有限腔带宽，压缩和反压缩随边带频率增加而预期降低。每个频率点的单独零跨度测量显示压缩水平有相对较大的变化，可归因于测量之间的耦合效率波动。在325兆赫兹边带频率下，压缩和反压缩分别降至负0.18分贝和正0.25分贝。对频率依赖数据的理论模型拟合得出泵浦功率为阈值的2%，总效率23%，信号模式的腔带宽为310兆赫兹。

这项演示确立了模式相位匹配作为在薄膜铌酸锂平台上产生压缩光的可行方法。达到的压缩水平与使用更复杂周期性极化技术获得的最佳结果相当，同时提供了更简单的制造工艺，无需具有挑战性的极化过程。性能主要受三个因素限制：耦合损耗、光折变效应以及实现两个波长同时谐振的难度。

解决耦合损耗代表了薄膜铌酸锂线路固有的工程挑战。如果配合金属背反射器，这里采用的负衍射角光栅耦合器可能达到接近负0.1分贝的耦合效率。估计芯片上产生的压缩达到负1.5分贝，显著超过测得的离芯片值，突显了耦合损耗对观测性能的影响。

铌酸锂固有的光折变效应可以通过几种方法缓解。在较高温度下操作可降低光折变敏感性，而氧化镁掺杂提供了另一种缓解策略。增加腔长度会降低给定输入功率的谐振功率积累，从而减少光折变效应。对于适度的长度增加，延长的相位匹配相互作用区域补偿了谐振增强的降低，可能改善整体非线性效率。

降低的光折变效应会产生更平缓的谐振频率位移，使主动调谐能够实现双谐振条件。这可以使可达到的泵浦功率更接近从参量增益测量估计的50毫瓦阈值。有限的可调性也可以通过集成局部加热器或电光调制器来解决，补偿可能伴随更长谐振器设计的降低的可调性。研究人员估计，在接近50毫瓦振荡阈值的泵浦下，使用当前的光栅耦合器可以产生负1.2分贝的测量压缩，在芯片上为负3.6分贝，超过使用具有类似振荡阈值的周期性极化方案的性能。

腔内的主动相位控制元件将增强长期器件稳定性。由于压缩水平严格依赖于保持两个波长的谐振条件，耦合效率的任何漂移都会导致芯片上功率变化，通过光折变效应使泵浦谐振相对于信号谐振发生位移。集成相位移位器可以主动补偿这些漂移，显著改善实际应用中的器件可靠性。

展望长期发展，将模式相位匹配与分层极化方法相结合可以同时实现高转换效率和制造简便性。分层极化带来的非线性效率大幅提升将使振荡阈值降低几个数量级，而这里展示的模式相位匹配方案提供了灵活的腔配置和适当的高阶模式激发。对两个波长使用独立的总线波导将实现耦合效率的独立控制，允许强泵浦谐振以实现高转换效率，同时保持过耦合的信号输出以获得最大压缩提取。这些进展将使集成压缩光源更接近实用量子计算应用所需的性能水平，标志着可扩展光量子系统的技术进步。