近日，中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在集成光學(xué)芯片領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)鄒長(zhǎng)鈴研究組在集成光子芯片上實(shí)現(xiàn)了基于微腔簡(jiǎn)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(jí)聯(lián)非線性光學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)跨波段的頻率轉(zhuǎn)換和放大。相關(guān)成果以“Efficient frequency conversion in a degenerateχ（2） microresonator”為題3月29日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。
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(cè)、傳感，成像，同時(shí)也是連接光纖通訊波段和各種原子的躍遷波段的工具，對(duì)分布式量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)而言更是不可或缺的接口。因此，最近國(guó)際上有大量關(guān)于實(shí)現(xiàn)高效頻率轉(zhuǎn)換器件的實(shí)驗(yàn)研究。集成光子芯片上微腔可以增強(qiáng)光和物質(zhì)相互作用，所以可以提升非線性光學(xué)效應(yīng)，同時(shí)還具有體積小，可擴(kuò)展性高，能耗小等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)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(tái)。
然而，在芯片上實(shí)現(xiàn)腔增強(qiáng)的頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程，需要滿足三個(gè)或更多光學(xué)模式的相位匹配，這對(duì)于器件的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控提出了非?？量痰囊?。特別是針對(duì)于原子分子光譜相關(guān)的應(yīng)用中，集成光子芯片的微納加工工藝帶來(lái)的誤差使得微腔的共振頻率與原子的躍遷線（例如Rb原子D2線寬為6MHz）幾乎不可能實(shí)現(xiàn)匹配。為此，鄒長(zhǎng)鈴研究組提出了一種新穎的簡(jiǎn)并和頻效應(yīng)，僅需要兩個(gè)光學(xué)模式就可以實(shí)現(xiàn)高效率的相干頻率轉(zhuǎn)換。并且，他們還實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)的精確調(diào)控：通過(guò)控制芯片基底溫度實(shí)現(xiàn)了頻率轉(zhuǎn)換匹配窗口的粗調(diào)，范圍可達(dá)100 GHz；基于前期光致微腔加熱效應(yīng)的相關(guān)工作[Optics Express 28, 11144（2020）]，實(shí)現(xiàn)了MHz量級(jí)的精細(xì)調(diào)控。
如圖所示，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的1560nm到780nm波長(zhǎng)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。研究組進(jìn)一步從理論出發(fā)，考慮了微腔內(nèi)的Kerr效應(yīng)以及級(jí)聯(lián)二階非線性光學(xué)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)模式簡(jiǎn)并頻率轉(zhuǎn)換的信號(hào)還有可能獲得一定的增益，這在之前的光學(xué)相干頻率轉(zhuǎn)換的研究中被忽略了。他們實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這一重要的物理現(xiàn)象，并預(yù)言可以通過(guò)對(duì)芯片的工藝參數(shù)的進(jìn)一步調(diào)控實(shí)現(xiàn)效率超過(guò)100%的頻率轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大。
審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)：“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(lái)說(shuō)，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(duì)片上量子信息處理極其重要，轉(zhuǎn)換效率的每一個(gè)百分比在這些應(yīng)用中都至關(guān)重要）”。