產(chǎn)生純粹的非經(jīng)典光狀態(tài)是光量子信息科學(xué)最重要的目標(biāo)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(guò)程，即泵浦光束擊中非線性晶體并產(chǎn)生成對(duì)的低能量光子。事實(shí)上，在過(guò)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(duì)，并被用于量子通信和量子計(jì)量等應(yīng)用。

如圖 1a 所示，要使 SPDC 過(guò)程有效，能量和動(dòng)量都必須保持不變。在沒(méi)有色度色散的理想情況下，相位匹配的作用微乎其微，因?yàn)轭l率和波矢量?jī)H僅是光速因子的關(guān)系。然而，實(shí)際光學(xué)材料會(huì)出現(xiàn)色度色散現(xiàn)象，即折射率隨波長(zhǎng)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(bǔ)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(zhǔn)相位匹配技術(shù)。這種技術(shù)通過(guò)將晶體分割成多個(gè)疇來(lái)解決失配問(wèn)題，其中交替的疇具有符號(hào)相反的非線性系數(shù)（圖 1b）。這種技術(shù)可以通過(guò)相位圖來(lái)理解（圖 1c）。波矢量失配會(huì)導(dǎo)致不同的相位累積，在有限的傳播距離之后，它們將開(kāi)始產(chǎn)生破壞性干擾。通過(guò)準(zhǔn)相位匹配，可以選擇域周期Λ，這樣當(dāng)過(guò)程到達(dá)破壞性干涉區(qū)域時(shí)，相位的符號(hào)就會(huì)翻轉(zhuǎn)，從而使過(guò)程繼續(xù)建設(shè)性地發(fā)展。

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

有趣的是，直到 20 世紀(jì) 80 年代中期，這種技術(shù)才在實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用[4]，使用周期性輪詢。這是因?yàn)閯?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(guò)晶體表面的圖案化電極向鐵電晶體施加強(qiáng)電場(chǎng)。這種強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)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(hào)。對(duì)大孔徑晶體和小極化周期進(jìn)行周期極化尤其具有挑戰(zhàn)性。

準(zhǔn)相位匹配的優(yōu)點(diǎn)是可以使用非線性系數(shù)更強(qiáng)的材料，避免空間偏移，并且不增加對(duì)不同場(chǎng)極化的要求。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)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(guò)程。0 型過(guò)程，即泵浦和產(chǎn)生的兩個(gè)光子具有相同的偏振，由于其對(duì)生成率高，可能是理想的過(guò)程。不過(guò)，它對(duì)溫度變化相對(duì)敏感，而且?guī)捿^大。在 II 型過(guò)程中，產(chǎn)生的兩個(gè)光子具有正交偏振，光譜較窄，但過(guò)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(biāo)準(zhǔn)是總通量嗎？還是每納米波長(zhǎng)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。