帶周期性極化的準相位匹配

產(chǎn)生純粹的非經(jīng)典光狀態(tài)是光量子信息科學最重要的目標之一。自發(fā)參量下變頻（SPDC）是產(chǎn)生這種狀態(tài)的一種常用且多用途的光源，它是一種非線性過程，即泵浦光束擊中非線性晶體并產(chǎn)生成對的低能量光子。事實上，在過去幾十年中，SPDC 已被廣泛用于產(chǎn)生預(yù)示單光子和糾纏光子對，并被用于量子通信和量子計量等應(yīng)用。

如圖 1a 所示，要使 SPDC 過程有效，能量和動量都必須保持不變。在沒有色度色散的理想情況下，相位匹配的作用微乎其微，因為頻率和波矢量僅僅是光速因子的關(guān)系。然而，實際光學材料會出現(xiàn)色度色散現(xiàn)象，即折射率隨波長而變化，從而導(dǎo)致波向量不匹配 Δk_z。

克服波矢失配的一種方法是利用不同極化的相位累積差異，這種方法被稱為雙折射相位匹配 。在這一技術(shù)中，泵浦光子和生成光子的偏振選擇要使這一效應(yīng)能夠補償色度色散。

早在 1962 年就有人提出了第二種流行的技術(shù)，即準相位匹配技術(shù)。這種技術(shù)通過將晶體分割成多個疇來解決失配問題，其中交替的疇具有符號相反的非線性系數(shù)（圖 1b）。這種技術(shù)可以通過相位圖來理解（圖 1c）。波矢量失配會導(dǎo)致不同的相位累積，在有限的傳播距離之后，它們將開始產(chǎn)生破壞性干擾。通過準相位匹配，可以選擇域周期Λ，這樣當過程到達破壞性干涉區(qū)域時，相位的符號就會翻轉(zhuǎn)，從而使過程繼續(xù)建設(shè)性地發(fā)展。

圖 1. (a) 要使 SPDC 過程有效，能量和動量必須保持不變。(b) 非線性的周期性極化可以補償波矢失配。(c) 有相位匹配和無相位匹配時過程累積的相位圖。

有趣的是，直到 20 世紀 80 年代中期，這種技術(shù)才在實驗中廣泛應(yīng)用[4]，使用周期性輪詢。這是因為創(chuàng)建這種疇具有挑戰(zhàn)性，通常需要使用鐵電疇工程[5]。這包括通過晶體表面的圖案化電極向鐵電晶體施加強電場。這種強電場會改變電極下的晶體取向，從而扭轉(zhuǎn)其非線性系數(shù)的符號。對大孔徑晶體和小極化周期進行周期極化尤其具有挑戰(zhàn)性。

準相位匹配的優(yōu)點是可以使用非線性系數(shù)更強的材料，避免空間偏移，并且不增加對不同場極化的要求。另一個優(yōu)點是，通過調(diào)整極化周期，可以控制不同的 SPDC 參數(shù)。

使用不同的極化周期可以決定發(fā)生的是 0 型還是 II 型過程。0 型過程，即泵浦和產(chǎn)生的兩個光子具有相同的偏振，由于其對生成率高，可能是理想的過程。不過，它對溫度變化相對敏感，而且?guī)捿^大。在 II 型過程中，產(chǎn)生的兩個光子具有正交偏振，光譜較窄，但過程往往較弱。

在選擇晶體結(jié)構(gòu)之前，了解具體應(yīng)用和所需的優(yōu)越性是非常重要的。例如，重要的衡量標準是總通量嗎？還是每納米波長的總通量？空間糾纏是所需的特征還是需要避免的？根據(jù)具體應(yīng)用，不同的泵浦光束配置、晶體尺寸、溫度和極化周期可能是最合適的。