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Acta Optica Sinica (Online)

光纤通信窗口200 MHz宽带压缩态光场的制备（特邀）

梁少聪 Liang Shaocong, Jialin Cheng, 闫智辉 Yan Zhihui, 贾晓军 Jia Xiaojun

Published Jan 1, 2024• 0 citations
Publisher

Abstract

正交压缩态的压缩方向与经典通信中的正交幅度调制兼容，因此基于正交压缩的量子通信协议更容易实现实用化和商用化。为此，在实验上制备了对应于光纤通信窗口的200 MHz宽带正交压缩态光场。首先，制作了腔长为8 mm的光学参量放大器，其半峰全宽达到210 MHz。然后，研制了1~300 MHz的低噪声平衡零拍探测器，其共模抑制比可以达到50 dB。最后，在1.3 μm波长处获得了带宽为200 MHz的宽带压缩态光场，这为开展高速量子通信提供了必要的量子光源。

DOI
10.3788/aosol240434

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里德伯原子系统解调微波调幅信号的线性工作点研究

金袁凯 Jin Yuankai, 饶睿坚 Rao Ruijian, 吴金云 Wu Jinyun +1 more

研究了里德伯原子系统采用直接解调法对微波调幅信号进行解调时的工作点与基带信号非线性失真之间的关系。首先，利用里德伯原子的电极化率理论表达式，得到在耦合光、探测光和微波的频率均为零失谐条件下，里德伯原子系统对微波调幅信号的解调模型；然后，计算探测光透射率对微波拉比频率的一阶导数和二阶导数，并利用二阶导数为0这一条件，得到里德伯原子汽室的非线性失真最小的点，即最佳线性工作点；最后，采用总谐波失真（THD）来分别研究里德伯原子汽室的静态工作点、基带信号的幅度与解调所引起的非线性失真之间的关系。仿真结果表明，对于里德伯原子133Cs（采用能级6S1/2、6P3/2、47D5/2、48P3/2），当耦合光拉比频率为2π×2.7 MHz，并且调幅微波基带信号的电场强度幅值为1 mV/m时，工作在最佳线性工作点附近的原子汽室所引入的THD可低至-95.4984 dB。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2023•0 citations

具有时钟恢复和功率监测功能的时域平衡零拍探测器

郭旭波 Xu-bo GUO, 王旭阳 Xu-yang WANG, Yan-Xiang Jia +3 more

时域平衡零拍探测器可以直接探测脉冲信号光场的正交分量，是连续变量量子密钥分发系统中的关键器件。本文介绍了一种新型时域平衡零拍探测器，充分利用了级联光电二极管中每个光电二极管两端产生的光电流信号，不仅能够测量信号光场的正交分量，同时还可以实时监测本振光功率并产生与本振光同频率的时钟信号。实验中，在1 MHz的重复速率下，探测器可输出共模抑制比达75 dB，信噪比为13.50 dB散粒噪声信号；同时产生与本振光同频的时钟信号，并输出与本振光功率具有良好线性关系的直流电压值，增益为2.52×10-7 V/光子，残差平方和为2.51×10-4 V2。该探测器可显著降低连续变量量子密钥分发系统接收端的复杂度，能有效避免因分束器的分束比变化而产生的安全漏洞，增强了系统的实际安全性。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2024•0 citations

1064 nm高功率明亮压缩态光场制备实验中绿光诱导红外吸收效应

郭锐 Guo Rui, 杨文海 Yang Wenhai, 郭咏 Guo Yong +1 more

通过实验和理论研究连续变量高功率明亮压缩态光场制备实验中高功率种子光注入光学参量放大器引起的绿光诱导红外吸收效应。首先，通过优化实验系统工作参数，提升反馈控制回路的锁定稳定性，当种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW时，在分析频率为3 MHz处，获得光功率为200 μW、压缩度为（-10.7±0.2）dB的明亮压缩态光场。然后，根据实验数据，定量分析高功率明亮压缩态光场与压缩真空态光场产生过程中周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收损耗，发现高功率明亮压缩态光场实验系统的总光学损耗为（9±0.05）%，其中由周期极化磷酸氧钛钾晶体吸收导致的内腔损耗为（5.8±0.05）%，占总光学损耗的（64.4±0.05）%。该条件下周期极化磷酸氧钛钾晶体对高功率明亮压缩态光场的吸收系数为（6.0±0.05）×10-2 cm-1。当泵浦光单独注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体对压缩真空态光场的吸收系数约为2.1×10-4 cm-1。由此可知，当高功率种子光注入光学参量放大器时，绿光诱导红外吸收效应使周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收系数增加了285倍，使内腔损耗成为高功率明亮压缩态光场压缩度的主要影响因素。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2023•4 citations

高性能超导相变边缘单光子探测器（特邀）

李佩展 LI Peizhan, Jiaqiang Zhong, 张文 ZHANG Wen +7 more

研究了钛膜的特性及调控机制，通过烘烤后处理工艺分析了临界温度随烘烤时间和烘烤温度的变化关系，发现临界温度随烘烤时间对数降低，但是随烘烤温度指数降低。拓展了二流体模型提取了超导相变边缘单光子探测器的温度灵敏度系数和电流灵敏度系数，并结合脉冲响应得到了器件的热容，进一步理论计算了能量分辨率对器件临界温度的依存性。最终，在器件制备过程中集成光学腔体，在1 550 nm波长的光子吸收效率接近100%。研制的超导相变边缘单光子探测器系统探测效率超过90%，能量分辨率约为0.5 eV，可分辨至少10个1 550 nm光子，满足快速时变天体的观测需求。

ACTA PHOTONICA SINICA•Jan 1, 2023•1 citation

光力学量子换能器：进展与挑战（特邀）

陈培钦 Chen Peiqin, 徐昕尧 Xu Xinyao, 张亦非 Zhang Yifei +7 more

固态量子比特（如超导、半导体等）主要工作于微波（GHz）频段。然而，该频段的量子信号在室温环境下存在较大的损耗，难以实现长距离传输，这一技术难题也是未来部署分布式量子计算、量子计算网络的重要瓶颈。将微波频段量子信号转换为光学频段（尤其是光通信波段）的量子换能器是解决该瓶颈问题的重要方案之一。近年来，光力学量子换能器因其具有低噪声、大带宽、高效率的发展潜力，且易于大规模芯片集成，成为量子换能器领域的研究热点。首先，系统综述了光力学量子换能器的基本原理与关键性能指标，包括转换效率、带宽、附加噪声与品质因子等，分析其物理机制与参数之间的制约关系；随后，重点梳理了薄膜型、光声晶体（OMC）型、体声波谐振器（BAR）型与微盘型这四种换能器的主要研究进展，分别评述其实现原理、性能水平及发展瓶颈；最后，针对量子换能器领域面临的重大挑战，对其未来发展方向进行了展望，包括协同度优化、低噪声和宽带工作能力、异质结构与新材料引入以及系统级优化设计等。该研究成果可为从事光力学量子换能器研究或对相关领域感兴趣的科研人员提供参考。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•0 citations

相位敏感光参量放大在光通信中的应用前景 (内封面文章·特邀)

李天伦 LI Tianlun, 苏延成 SU Yancheng, 夏同泽 XIA Tongze +4 more

光放大技术通过增强光传输信号强度，克服光纤/空间激光通信链路传输中的损耗，是光通信领域的核心技术之一。然而，包括掺铒光纤放大器等在内的多数光放大器均为相位不敏感型光放大器，受限于3 dB的量子噪声极限，限制了长距离通信的信噪比提升和通信质量。相比之下，相位敏感光参量放大技术利用非线性光学混频的原理，不仅能够将光放大噪声系数降至0 dB，同时兼顾较好的增益，在优化通信性能、延长通信距离、全光信号处理等方面均有不俗表现，有望推动光通信技术的进一步发展。文中对相位敏感光参量放大技术进行了介绍，并展望了其在光通信领域中的潜在应用前景。

Infrared and Laser Engineering•Jan 1, 2025•0 citations
正交压缩态的压缩方向与经典通信中的正交幅度调制兼容，因此基于正交压缩的量子通信协议更容易实现实用化和商用化。为此，在实验上制备了对应于光纤通信窗口的200 MHz宽带正交压缩态光场。首先，制作了腔长为8 mm的光学参量放大器，其半峰全宽达到210 MHz。然后，研制了1~300 MHz的低噪声平衡零拍探测器，其共模抑制比可以达到50 dB。最后，在1.3 μm波长处获得了带宽为200 MHz的宽带压缩态光场，这为开展高速量子通信提供了必要的量子光源。
研究了里德伯原子系统采用直接解调法对微波调幅信号进行解调时的工作点与基带信号非线性失真之间的关系。首先，利用里德伯原子的电极化率理论表达式，得到在耦合光、探测光和微波的频率均为零失谐条件下，里德伯原子系统对微波调幅信号的解调模型；然后，计算探测光透射率对微波拉比频率的一阶导数和二阶导数，并利用二阶导数为0这一条件，得到里德伯原子汽室的非线性失真最小的点，即最佳线性工作点；最后，采用总谐波失真（THD）来分别研究里德伯原子汽室的静态工作点、基带信号的幅度与解调所引起的非线性失真之间的关系。仿真结果表明，对于里德伯原子133Cs（采用能级6S1/2、6P3/2、47D5/2、48P3/2），当耦合光拉比频率为2π×2.7 MHz，并且调幅微波基带信号的电场强度幅值为1 mV/m时，工作在最佳线性工作点附近的原子汽室所引入的THD可低至-95.4984 dB。
时域平衡零拍探测器可以直接探测脉冲信号光场的正交分量，是连续变量量子密钥分发系统中的关键器件。本文介绍了一种新型时域平衡零拍探测器，充分利用了级联光电二极管中每个光电二极管两端产生的光电流信号，不仅能够测量信号光场的正交分量，同时还可以实时监测本振光功率并产生与本振光同频率的时钟信号。实验中，在1 MHz的重复速率下，探测器可输出共模抑制比达75 dB，信噪比为13.50 dB散粒噪声信号；同时产生与本振光同频的时钟信号，并输出与本振光功率具有良好线性关系的直流电压值，增益为2.52×10-7 V/光子，残差平方和为2.51×10-4 V2。该探测器可显著降低连续变量量子密钥分发系统接收端的复杂度，能有效避免因分束器的分束比变化而产生的安全漏洞，增强了系统的实际安全性。
通过实验和理论研究连续变量高功率明亮压缩态光场制备实验中高功率种子光注入光学参量放大器引起的绿光诱导红外吸收效应。首先，通过优化实验系统工作参数，提升反馈控制回路的锁定稳定性，当种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW时，在分析频率为3 MHz处，获得光功率为200 μW、压缩度为（-10.7±0.2）dB的明亮压缩态光场。然后，根据实验数据，定量分析高功率明亮压缩态光场与压缩真空态光场产生过程中周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收损耗，发现高功率明亮压缩态光场实验系统的总光学损耗为（9±0.05）%，其中由周期极化磷酸氧钛钾晶体吸收导致的内腔损耗为（5.8±0.05）%，占总光学损耗的（64.4±0.05）%。该条件下周期极化磷酸氧钛钾晶体对高功率明亮压缩态光场的吸收系数为（6.0±0.05）×10-2 cm-1。当泵浦光单独注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体对压缩真空态光场的吸收系数约为2.1×10-4 cm-1。由此可知，当高功率种子光注入光学参量放大器时，绿光诱导红外吸收效应使周期极化磷酸氧钛钾晶体的吸收系数增加了285倍，使内腔损耗成为高功率明亮压缩态光场压缩度的主要影响因素。
研究了钛膜的特性及调控机制，通过烘烤后处理工艺分析了临界温度随烘烤时间和烘烤温度的变化关系，发现临界温度随烘烤时间对数降低，但是随烘烤温度指数降低。拓展了二流体模型提取了超导相变边缘单光子探测器的温度灵敏度系数和电流灵敏度系数，并结合脉冲响应得到了器件的热容，进一步理论计算了能量分辨率对器件临界温度的依存性。最终，在器件制备过程中集成光学腔体，在1 550 nm波长的光子吸收效率接近100%。研制的超导相变边缘单光子探测器系统探测效率超过90%，能量分辨率约为0.5 eV，可分辨至少10个1 550 nm光子，满足快速时变天体的观测需求。
固态量子比特（如超导、半导体等）主要工作于微波（GHz）频段。然而，该频段的量子信号在室温环境下存在较大的损耗，难以实现长距离传输，这一技术难题也是未来部署分布式量子计算、量子计算网络的重要瓶颈。将微波频段量子信号转换为光学频段（尤其是光通信波段）的量子换能器是解决该瓶颈问题的重要方案之一。近年来，光力学量子换能器因其具有低噪声、大带宽、高效率的发展潜力，且易于大规模芯片集成，成为量子换能器领域的研究热点。首先，系统综述了光力学量子换能器的基本原理与关键性能指标，包括转换效率、带宽、附加噪声与品质因子等，分析其物理机制与参数之间的制约关系；随后，重点梳理了薄膜型、光声晶体（OMC）型、体声波谐振器（BAR）型与微盘型这四种换能器的主要研究进展，分别评述其实现原理、性能水平及发展瓶颈；最后，针对量子换能器领域面临的重大挑战，对其未来发展方向进行了展望，包括协同度优化、低噪声和宽带工作能力、异质结构与新材料引入以及系统级优化设计等。该研究成果可为从事光力学量子换能器研究或对相关领域感兴趣的科研人员提供参考。
光放大技术通过增强光传输信号强度，克服光纤/空间激光通信链路传输中的损耗，是光通信领域的核心技术之一。然而，包括掺铒光纤放大器等在内的多数光放大器均为相位不敏感型光放大器，受限于3 dB的量子噪声极限，限制了长距离通信的信噪比提升和通信质量。相比之下，相位敏感光参量放大技术利用非线性光学混频的原理，不仅能够将光放大噪声系数降至0 dB，同时兼顾较好的增益，在优化通信性能、延长通信距离、全光信号处理等方面均有不俗表现，有望推动光通信技术的进一步发展。文中对相位敏感光参量放大技术进行了介绍，并展望了其在光通信领域中的潜在应用前景。