作者：Mirko Lobino，Luca Porcelluzzi；MKS-Ophir

图 1：Lobino教授在特伦托大学量子实验室的测量装置；芯片置于温控箱内以控制其温度，电信号通过黑色SMA电缆传输至器件。（图片来源：University of Trento）

铌酸锂是用于量子和非量子光学应用的集成光学器件的一种核心材料。由于其非线性特性，铌酸锂在制造用于量子态生成和操控的电光器件中，极具价值。铌酸锂非线性波导网络（基于这种晶体材料的光子结构）特别适合于量子态生成。

为了获得压缩量子态，需要使用激光作为泵浦来驱动非线性参量过程；在这个过程中，激光会产生频率为自身一半的关联光子对，其中一个正交分量（相位或振幅）的涨落会减小，而另一个正交分量的涨落会增加。

由于不同波长光场的相互作用，在器件研发之前，必须要了解所有模式的光束轮廓。意大利特伦托大学的研究人员与意大利国家核物理研究所（INFN）合作，正在开发一种集成光学器件，目的是用于在芯片上探测光子并产生压缩量子态（见图1）。为了确保质量，团队采用了Ophir的激光光束轮廓仪与BeamGage软件，来分析集成量子器件的输出模式。

集成光子学

与操控电子的微电子学类似，集成光子学将波导、调制器、激光器与探测器集成到单个微芯片上，实现对光的操控。这种微型化是推动量子技术与量子计算发展的关键驱动力。

基于铌酸锂的电光器件在芯片上集成了多种功能，包括通过参量下转换实现 “单光子产生”与“真空压缩”的非线性光学转换，以及借助电光效应（材料折射率随外加电场变化）实现的振幅与相位调制。

近期，我们团队利用质子交换技术，在铌酸锂中制备出一款集成电路，其可以在电信波长下实现光量子态的生成、操控与测量。

输出表征

波导是团队新开发的集成光子器件的核心，也是光子量子计算的基础组件。在光子量子计算范式中，光子用于编码、传输与处理量子信息。波导能将光约束在特定路径中传输，并且光会以“具有特定强度轮廓的模式”存在。

对于量子计算，这些波导经过设计，能在目标波长下以最小的损耗和噪声，支持单光子传输。它们是材料中的物理结构，能够引导光沿特定方向传播；它将光子限制在“与光波长相当”的区域内，并增强材料内部的电场强度。

为了确保非线性相互作用（如压缩光的产生）的效率，泵浦光束的空间模式必须与波导的基本模式（其频率为泵浦光的一半）重叠。该模式还必须与标准单模光纤的模式重叠，以确保光子能从光纤高效地耦合到波导中。

在开发阶段，我们从理论上模拟重叠，但这些计算仅能提供器件真实模式轮廓和非线性效率的估计。铌酸锂波导的生产过程，需要专业的知识和专门的生产设备。波导生产出来后，必须对器件的输出模式进行检测。

团队在评估测量方案时，重点考虑了实验装置的边界条件与激光发射本身的特性。

可靠激光诊断的技术选择

选择最合适的技术——能够提供必要的、有用的、与应用相关的信息，需要对不同的测量方案以及所得到的数据的可用性，进行比较评估。这包括评估是否需要额外的光学元件来优化信号，以实现尽可能高的测量质量。

针对本案例，我们评估了两款MKS激光测量系统：

（1） 带有磷涂层传感器的电荷耦合器件（CCD）相机，搭配Ophir BeamGage软件；

（2） 带锗探测器的旋转狭缝系统Ophir NanoScan，搭配NanoScan软件。

两款系统均符合国际标准化组织（ISO）兼容的测量协议，并提供相当的分辨率。这些系统还能生成测量参数的时间曲线。最终选择“带磷涂层传感器的 CCD 光束轮廓仪”的关键因素是：它能在同一测量区域内同时分析两路或多路激光发射（见图2）。而基于狭缝的系统受机械结构限制，无法实时实现这一功能。

图2：测量两路光束轮廓（1550 nm与 775 nm）。模式匹配分析显示，垂直位移由透镜色差引起。（图片来源：University of Trento）

基于相机的解决方案，其战略优势在于“大的有效测量区域”，能够即时可视化激光光束的横截面和空间分布。将这些信息保留作为基准，并且能够可视化第二个光束（或事后进行叠加），让研究人员能够可靠地检测出超出允许范围的偏差。

这种表征对于“验证我们的波导是否为单模、模式是否与标准光纤良好重叠，以及计算与泵浦模式的重叠以估计自发下转换的效率”，都非常重要。测量解决方案的可靠性及其即用型设置说服了我们。我们最终选择了MKS基于相机的解决方案：一台Ophir磷涂层相机和Ophir BeamGage软件，用于表征我们的集成器件的输出模式。

这种可靠性使我们能够将精力集中在所研究器件的制造和优化上，我们对用于验证的测量系统的准确性和一致性充满信心。每个数据点都具有明确的意义：没有干扰或模糊不清，这是实现有效激光诊断的关键。

此外，这些器件的单片集成特性，意味着能以稳定的方式实现正确相位（否则干涉仪会处于不稳定状态）。这大大简化了实现复杂光子量子电路的难度。

光束诊断

虽然铌酸锂的非线性特性为量子技术带来了显著优势，但是与硅光子学相比，铌酸锂材料的集成更具挑战性，且坚固性较差。这使得长时间监控集成光子芯片的表现变得至关重要。

除了“确保铌酸锂波导质量检测”的初始测量之外，诊断工作还包括器件长期特性的监测：团队会定期测量波导的输出功率，一旦功率下降，就会使用Ophir光束轮廓仪采集模式轮廓，以识别光束光学特性的任何变化。