4. 压缩光探测与表征技术

压缩光之所以能增强传感，核心在于它把某一正交分量的量子噪声压到散粒噪声极限以下。但“压缩了多少”不能靠理论推算，必须通过探测系统实测。本节围绕三个相互衔接的问题展开：如何把压缩光的正交分量信息转换为可测电信号（平衡零拍探测），如何从电信号中提取噪声随频率的分布（噪声谱分析），以及如何由谱密度定量给出压缩度与反压缩度。

一、平衡零拍探测：把正交分量搬到射频

压缩光的载波频率通常在百 THz 量级，直接探测无法分辨正交分量。平衡零拍探测（Balanced Homodyne Detection, BHD）的做法是：让压缩光（信号光）与本振光（LO）在 50:50 分束器上合束，两路输出分别进入一对匹配的光电二极管，再作差分。设信号场为 â，本振为强相干场，其相位为 θ，则差分光电流正比于广义正交分量：

i_diff(t) ∝ |α_LO| · X̂_θ(t)
X̂_θ = â·e^(−iθ) + ↷e^(iθ)

其中 X̂_θ 是沿 θ 方向的正交分量。θ=0 时测振幅正交分量，θ=π/2 时测相位正交分量。因此本振相位决定了“看哪个方向”的压缩。差分结构的关键价值在于共模抑制：本振的强度噪声、激光的经典起伏在两路中同相出现，差分后相互抵消，剩下的主要是量子起伏。共模抑制比（CMRR）通常要求优于 30 dB，否则本振经典噪声会淹没压缩信号。

实际搭建时需关注几个工程要点。第一，分束比必须接近 50:50，偏离会引入额外经典噪声；第二，两路光电二极管的量子效率、增益和频响要匹配，失配会降低可见压缩度；第三，本振功率要足够高，使散粒噪声主导电子学噪声，但也不能过高以免饱和；第四，本振相位需用压电陶瓷或相位调制器稳定，相位漂移会直接改变测量方向。光电二极管的量子效率 η 会按 V = η·V₀ 的比例稀释压缩度，这是实验中压缩度低于理论值的主要原因之一。

二、噪声谱分析：从时域电流到频域谱密度

差分光电流是时域信号，压缩信息体现在其涨落的功率谱密度上。将差分信号送入频谱分析仪，在分析频率 Ω（通常为几百 kHz 到几 MHz，避开激光技术噪声）处测量噪声功率。为便于比较，通常把测得功率对散粒噪声极限（Shot Noise Limit, SNL）归一化，用 dB 表示：

噪声功率（dB，相对 SNL）= 10·log₁₀(S_meas(Ω) / S_SNL(Ω))

SNL 的获取方式是：挡住信号光，只保留本振光，此时差分输出即为散粒噪声基线。这一步是压缩度测量的“标尺”，必须在同一本振功率、同一分析频率、同一 RBW 下测量。若本振功率变化，SNL 基线随之变化，压缩度读数会失真。

噪声谱分析中有几个参数直接影响测量可信度。分辨率带宽（RBW）越小，谱越平滑但扫描越慢；视频带宽（VBW）用于平滑显示，不改变实际噪声功率。分析频率的选择要避开 50 Hz 工频及其谐波、激光弛豫振荡峰和电子学 1/f 噪声区。通常选择 1～5 MHz 的“干净”频段，此时散粒噪声主导，压缩谱平坦。若在低频测量，技术噪声会抬高基线，导致压缩度被低估甚至误判为反压缩。

三、压缩度与反压缩度的定量测量

压缩度通常用 dB 表示，定义为相对散粒噪声极限的噪声降低量：

压缩度 = −10·log₁₀(S_squeeze / S_SNL)   （正值表示低于 SNL）
反压缩度 = +10·log₁₀(S_anti / S_SNL)   （正值表示高于 SNL）

例如，若在 2 MHz 处测得压缩方向噪声比 SNL 低 3 dB，则压缩度为 3 dB，对应噪声功率降为 SNL 的 0.5 倍；同时反压缩方向通常高于 SNL 约 3 dB 以上（受损耗影响，反压缩量一般大于压缩量）。测量时需旋转本振相位 θ，记录噪声随 θ 的变化曲线，其极小值对应压缩度，极大值对应反压缩度。理想情况下两者关于 SNL 对称，但实际因损耗和额外噪声，反压缩度往往大于压缩度。

损耗是压缩度测量的头号敌人。总探测效率 η 包括光学传输损耗、光电二极管量子效率、模式匹配效率。若 η=0.9，则 3 dB 的压缩会被稀释为约 2.4 dB；若 η=0.5，3 dB 压缩只剩约 1.2 dB。因此实验中要尽量提高模式匹配（通常要求 >95%）、使用高量子效率光电二极管（>95%），并减少光路插损。此外，电子学噪声必须低于 SNL 至少 10 dB，否则会抬高基线，使压缩度被低估。

四、实操要点与结果判读

一次完整的压缩度测量可按以下流程执行。首先，遮挡信号光，仅注入本振光，在目标分析频率处记录 SNL 功率 P_SNL。然后，恢复信号光，微调模式匹配，使直流差分信号最小（表明两路平衡）。接着，扫描 LO 相位，记录噪声功率随 θ 的变化，找到最小值 P_min 和最大值 P_max。最后计算：

压缩度(dB) = 10·log₁₀(P_SNL / P_min)
反压缩度(dB) = 10·log₁₀(P_max / P_SNL)

判读结果时，若压缩度为正且反压缩度大于压缩度，说明系统工作正常；若压缩度接近 0 或为负，应检查本振相位是否锁定、模式匹配是否良好、电子学噪声是否过高、分析频率是否落在技术噪声区。若反压缩度异常大而压缩度很小，通常是总效率偏低或存在额外相位噪声。通过这些判据，可以快速定位问题并优化系统，使压缩光真正服务于后续的传感测量。