中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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)鄒長鈴研究組在集成光子芯片上實(shí)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(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)表于國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(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、傳感，成像，同時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(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。

然而，在芯片上實(shí)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(jì)、加工和調(diào)控提出了非常苛刻的要求。特別是針對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(shí)現(xiàn)高效率的相干頻率轉(zhuǎn)換。并且，他們還實(shí)現(xiàn)了工作波長的精確調(diào)控：通過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)以及級聯(lián)二階非線性光學(xué)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)模式簡并頻率轉(zhuǎn)換的信號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)言可以通過對芯片的工藝參數(shù)的進(jìn)一步調(diào)控實(shí)現(xiàn)效率超過100%的頻率轉(zhuǎn)換，同時實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和放大。

審稿人對該工作給予了高度評價：“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）”。