量子光，低溫晶體：PPKTP的優勢

即使是最穩定的激光器也并非絕對安靜。光以離散光子的形式傳播，會引入統計波動，即散粒噪聲，從而導致光學測量精度達到標準量子極限。

然而，量子光學提供了一種解決方法。壓縮態重新分配了不確定性，將一個屬性（相位或振幅）的噪聲縮小到散粒噪聲本底以下，同時增加另一個屬性的噪聲。在相位-振幅圖上，圓形噪聲圓變成了一個細長的橢圓。這種經過設計的低噪聲光提高了 LIGO 引力波探測器 [1]、壓縮光磁強計 [2] 以及許多其他量子傳感和通信應用的靈敏度。

產生壓縮光的常用方法是使用簡并光參量放大器 (DOPA)。在 DOPA 中，強泵浦激光束與非線性晶體相互作用，該晶體通常放置在光腔內以增強相互作用，并驅動光子對的產生。該過程的相位敏感特性使腔體能夠減小一個正交方向上的波動，同時放大另一個正交方向上的波動。這種相互作用的強度由其有效非線性系數表征；該系數越高，通常表示轉換過程越高效，在給定晶體長度和泵浦功率的情況下，這可以轉化為更強的壓縮效應。

晶體選擇：工作溫度和固有噪聲

用于構建DOPA的兩種主要非線性材料是周期性極化磷酸鈦氧鉀 (PPKTP) 和周期性極化鈮酸鋰 (PPLN)。PPLN的非線性系數高于 PPKTP，這表明它天生就更適合產生強壓縮效應。然而，實際操作要求帶來了關鍵的差異。

PPLN 在室溫附近暴露于高強度激光時，通常會產生光折變效應。這種效應涉及光誘導晶體內電荷載流子的產生和遷移，從而產生內部電場，導致晶體折射率扭曲，并降低透射激光束的質量。為了減輕光折變效應，基于 PPLN 的器件通常在高溫下工作，使得捕獲的電荷擁有足夠的能量再次移動，從而平衡內部電場并減輕光折變效應。相比之下，基于 PPKTP 的 DOPA 可以在室溫附近高效工作，并且不會出現明顯的光折變問題。

工作溫度的差異對最終的噪聲性能有顯著的影響。在高溫下，原子晶格振動，導致微觀聲波在晶體中傳播。這些聲波隨機地調制折射率。這種現象被稱為導聲波布里淵散射 (GAWBS)，它引入了一個與晶體溫度直接相關的基本相位噪聲源 [3]。

Wan 等人通過直接實驗對比，強調了這一關鍵的權衡 [4]。他們使用相同的 1550 nm DOPA 設置，發現室溫 PPKTP 的壓縮效應為 6.8 dB（即低于標準量子極限的噪聲降低 6.8 dB），而 135°C 時 PPLN 的壓縮效應為 4.9 dB。盡管 PPKTP 的非線性系數較低，但其優異的壓縮性能直接歸因于其在較低工作溫度下 GAWBS 引起的相位噪聲降低。

圖 1 - 實驗比較顯示，135°C 時 PPLN 由于 GAWBS 的壓縮限制在 4.9 dB，而 35°C 時 PPKTP 的壓縮達到 6.8 dB [4]

對于最強的相位壓縮，消除 GAWBS 比非線性系數的絕對值更重要。事實上，使用 PPKTP 時，1550 nm 處的壓縮水平達到 12 dB，1064 nm 處的壓縮水平達到 15 dB [5, 6]，突顯了其卓越的低噪聲特性。

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參考

[1] Aasi, Junaid, Joan Abadie, BP Abbott, Richard Abbott, TD Abbott, MR Abernathy, Carl Adams 等人，“利用壓縮光態增強 LIGO 引力波探測器靈敏度?！? 《自然光子學》  7, no. 8 (2013): 613-619。

[2] Wolfgramm, Florian, Alessandro Cere, Federica A. Beduini, Ana Predojevi?, Marco Koschorreck 和 Morgan W. Mitchell. “壓縮光光磁測量技術?！? 《物理評論快報》  105, 第5期 (2010): 053601。

[3] César、J?natas Eduardo da Silva、AS Coelho、Katiuscia Nadyne Cassemiro、Alessandro de Sousa Villar、M. Lassen、P. Nussenzveig 和 Marcelo Martinelli。 “非線性光學晶體熱波動產生的額外相位噪聲。” 物理評論 A——原子、分子和光學物理 79，第 1 期6（2009）：063816。

[4] 萬振舉、馮金霞、李元吉、張寬壽，“PPKTP 和 PPLN 簡并光參量放大器產生的相位正交壓縮態比較?！? 《光學快報》  2018 年第 26 卷第 5 期，第 5531-5540 頁。

[5] Mehmet, Moritz, Stefan Ast, Tobias Eberle, Sebastian Steinlechner, Henning Vahlbruch 和 Roman Schnabel。“1550 nm 壓縮光量子噪聲降低 12.3 dB?！? 《光學快報》  19 卷，第 25 期（2011 年）：25763-25772。

[6] Vahlbruch, Henning, Moritz Mehmet, Karsten Danzmann 和 Roman Schnabel?！?5 dB 壓縮光態的探測及其在光電量子效率絕對校準中的應用?！? 《物理評論快報》  117，第 11 期 (2016)：110801。