中國科大集成光學(xué)芯片領(lǐng)域新進(jìn)展 實現(xiàn)高效光子頻率轉(zhuǎn)換

4月8日消息（余予）來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團(tuán)隊在集成光學(xué)芯片領(lǐng)域取得新進(jìn)展，該團(tuán)隊鄒長鈴研究組在集成光子芯片上實現(xiàn)了基于微腔簡并模式的高效光子頻率轉(zhuǎn)換，并進(jìn)一步探究了微腔內(nèi)的級聯(lián)非線性光學(xué)效應(yīng)，實現(xiàn)跨波段的頻率轉(zhuǎn)換和放大。

據(jù)悉，相干光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換在經(jīng)典和量子信息領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如通訊、探測、傳感，成像，同時其也是連接光纖通訊波段和各種原子的躍遷波段的工具，對分布式量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)而言更是不可或缺的接口。因此，最近國際上有大量關(guān)于實現(xiàn)高效頻率轉(zhuǎn)換器件的實驗研究。

其中，集成光子芯片上微腔是實現(xiàn)高效率光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換和其他非線性光學(xué)效應(yīng)的重要平臺，其可以增強(qiáng)光和物質(zhì)相互作用，并具有體積小、可擴(kuò)展性高、能耗小等優(yōu)點。然而，在芯片上實現(xiàn)腔增強(qiáng)的頻率轉(zhuǎn)換過程，需要滿足三個或更多光學(xué)模式的相位匹配，這對于器件的設(shè)計、加工和調(diào)控提出了非?？量痰囊?。

為此，鄒長鈴研究組提出了一種新穎的簡并和頻效應(yīng)，僅需要兩個光學(xué)模式就可以實現(xiàn)高效率的相干頻率轉(zhuǎn)換；研究組還實現(xiàn)了工作波長的精確調(diào)控，即通過控制芯片基底溫度實現(xiàn)了頻率轉(zhuǎn)換匹配窗口的粗調(diào)，范圍可達(dá)100 GHz；除此之外，研究組基于前期光致微腔加熱效應(yīng)的相關(guān)工作，實現(xiàn)了MHz量級的精細(xì)調(diào)控。

如圖，實驗中實現(xiàn)的1560nm到780nm波長的光子數(shù)轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)42%，頻率帶寬可達(dá)250GHz，可以滿足后續(xù)通訊波段光子與Rb原子互聯(lián)的需求。

基于理論并通過實驗驗證了“模式簡并頻率轉(zhuǎn)換的信號還有可能獲得一定的增益”這一物理現(xiàn)象，研究組預(yù)言稱，可通過對芯片的工藝參數(shù)的進(jìn)一步調(diào)控實現(xiàn)效率超過100%的頻率轉(zhuǎn)換，同時實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和放大。

該成果于3月29日在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上發(fā)表。審稿人對該工作給予高度評價：“Overall, the current work provides a novel way for efficient on-chip frequency conversion, which is extremely important for on-chip quantum information processing, each percentage of conversion efficiency matters in these applications（總的來說，該工作提供了一種高效率片上頻率轉(zhuǎn)換的新穎方法，這對片上量子信息處理極其重要，轉(zhuǎn)換效率的每一個百分比在這些應(yīng)用中都至關(guān)重要）”。

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