1.5μm全光纤压缩态光源研究

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随着压缩态光场产生技术的发展和成熟,其相关应用也得以迅速发展。在量子精密测量与量子传感领域,压缩光凭借其独特的噪声分布特性成为诸多光学测量技术中突破经典量子噪声极限限制的利器;在量子信息领域,压缩态光场凭借其正交分量上噪声相互关联的特性,成为重要的连续变量量子资源。目前,空间光学系统中的基于参量振荡和参量放大技术的压缩光源在压缩度以及稳定性等技术指标上已经能够满足绝大多数上述应用的需求。然而,这类压缩光源的搭建要求对大量空间光学元件进行精细调校,多路空间光束间的精准模式匹配以及多路电子锁定系统的配合工作。这无疑对推动压缩光的大范围应用造成了限制。因此,小型化和紧凑化压缩光源的研究成为了推动压缩态光场在量子信息和量子传感领域大规模应用的关键技术之一。本论文以全光纤小型化1.5μm通信波段压缩光制备为目标,探究了基于光纤耦合晶体波导实现全光纤压缩光制备系统的相关技术,主要内容和取得的成果如下:(1)从实验上研究并分析了基于半导体光放大器增益饱和效应抑制激光强度噪声过程中产生的噪声-偏振相关特性;基于高偏振消光比选偏器件,以及偏振“后选择”技术,成功消除了上述噪声-偏振相关特性。最终输出的1550 nm激光在300 k Hz-50 MHz频率范围内的RIN抑制到-151 d B/Hz,仅高出量子噪声极限1.9 d B(-152.9 d B,0.5m W@1550 nm)。该线偏振低噪声1550 nm单频光纤激光器可作为压缩光制备系统的理想种子源。(2)在上述线偏振低噪声1.5μm激光器的基础上,结合光纤耦合的周期极化铌酸锂(Periodically polarized lithium niobate,PPLN)波导倍频实现了775 nm低噪声激光输出。在输入泵浦光功率为1.74 W时,输出的775 nm二次谐波功率为348 m W。其0.3-50 MHz的频率范围内的相对强度噪声达到-148.5 d B/Hz,比量子噪声极限(-149.9 d B,0.5m W@775 nm)高出约1.5 d B。该线偏振低噪声775 nm紧凑型倍频激光器可作为自发参量下转换过程的理想泵浦源;在此基础上,设计了端面镀膜的双程PPLN波导结构,通过双程倍频技术方案,在相同泵浦功率下将775 nm激光的输出功率提高至404 m W。验证了在波导物理长度受限的情况下,通过端面镀膜的方法提高非线性转化效率的可行性。(3)研究分析了系统损耗、非线性增益以及泵浦功率等参数对无谐振波导结构中制备压缩光的影响;基于自主研发的低噪声单频光纤激光器,结合光纤耦合PPLN波导中的倍频和自发参量下转换技术,设计和搭建了全光纤化的真空压缩态制备系统;根据光纤压缩光系统中在模式匹配、干涉效率等方面与空间光学系统的区别,优化系统结构并最终制备了2.5 MHz频率处最大压缩度为2.13 d B的真空压缩光。利用基于单光子计数器的积分光谱技术测量了PPLN波导中自发参量下转换的荧光光谱,表征了压缩带宽约为5 THz。利用光纤耦合波导成功在集成化的全光纤系统中制备出了宽带真空压缩态,填补了国内在这一研究领域的空白。(4)借助脉冲光有助于提高非线性效率的优势,降低了真空压缩态制备所需的泵浦平均功率,在平均泵浦功率为45 m W的情况下,制备了1.74 d B的真空压缩态。并分析了对低重频脉冲而言,脉冲同步对压缩态探测的影响。此方案有望代替空间光学系统中的脉冲同步泵浦参量振荡器进行压缩光制备,极大的降低系统复杂程度。(5)首次提出并搭建了基于双程波导结构的明亮压缩光的实验系统,实验上在双程参量放大器中制备了真空压缩态和明亮压缩态。在有效泵浦功率为60 m W时,测得2.5MHz频率处的真空压缩光和明亮压缩光的压缩度分别为1.85 d B和1.12 d B。该结果为国际上首次报道的基于光纤耦合波导系统的明亮压缩光研究结果。
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