近日，上海大学通信与信息工程学院郭海润教授团队研制出一种毫瓦级低振荡阈值的集成光学参量振荡器，实现了覆盖通信C波段和L波段的明亮双光束强度差压缩，为构建单片集成的连续变量量子光源提供了关键方案。相关研究成果以“Milliwatt-threshold integrated optical parametric oscillator for broadband quantum squeezing”为题目，发表在国际光学与光子学领域著名期刊《Photonics Research》上。
图1：毫瓦级阈值集成光学参量振荡器及宽带明亮双光束强度差压缩。（a）阈值以上光学参量振荡器产生孪生光束实现强度差压缩的原理；（b）强度差压缩光源测量实验设置；（c）泵浦光与氮化硅芯片的实验耦合照片。
压缩光是一类噪声低于标准量子极限的非经典光场，是连续变量量子通信、量子精密测量、量子传感和量子信息处理的重要资源。与真空压缩态相比，光学参量振荡器在阈值以上产生的宏观亮双光束具有较高的光子通量，其信号光和闲频光之间存在强烈的量子关联。对两束光的强度涨落进行差分探测，可以获得低于散粒噪声极限的强度差压缩。
然而，在集成克尔微腔中产生高质量亮双光束压缩通常面临一项关键矛盾：为了提高量子态从微腔中的逃逸效率，器件往往需要工作在强过耦合状态；但增强外部耦合又会提高光学参量振荡阈值。因此，现有高性能集成压缩光源往往需要借助外部光学泵浦放大器（如掺铒光纤放大器）提升泵浦功率。泵浦放大器不仅增加系统体积和功耗，还将引入额外的强度噪声，限制压缩光源进一步向小型化、低噪声和单片集成方向发展。
针对这一问题，研究团队采用具有超低本征损耗的片上氮化硅微环谐振器，扩大自由光谱范围，并设计了宽带滑轮型耦合结构，在保持C、L双通信波段较高逃逸效率的同时，有效降低了光学参量振荡阈值。其中，C波段器件的代表性片上振荡阈值仅为8 mW。如此低的功率需求使半导体激光器能够直接驱动微环芯片，不再需要额外的泵浦光放大器，从源头上减少了放大器噪声和系统复杂度。
实验结果显示，在C波段直接观测到约2.85 dB的强度差压缩，在L波段获得约2.7 dB的压缩，两个波段均接近3 dB。量子噪声抑制可延伸至接近100 MHz的分析频率，显示出良好的宽频响特性。团队建立了包含经典过剩噪声的唯象模型，与实验结果符合良好，准确描述了压缩水平随参量光功率变化的规律，为低阈值集成压缩光源的参数设计和工作点优化提供了理论依据。
本项研究在低振荡阈值、高逃逸效率和宽带量子噪声抑制之间实现了有效平衡，将宏观量子压缩与片上严格的功率预算相结合。其毫瓦级阈值使器件有望由紧凑型半导体激光器直接泵浦，为进一步集成泵浦光源、微腔、滤波器和探测器创造了条件，也为构建低功耗、可扩展、单片集成的连续变量量子光源提供了关键技术支撑。相关成果有望应用于量子通信、量子精密测量、量子传感以及片上量子信息处理等领域。
论文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.601508