記者從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團隊鄒長鈴研究組，在集成光子芯片上實現了基于微腔簡并模式的高效光子頻率轉換，并進一步探究了微腔內的級聯非線性光學效應，實現跨波段的頻率轉換和放大。相關成果日前在線發表于國際學術期刊《物理評論快報》上。
相干光學頻率轉換在經典和量子信息領域都有廣泛的應用，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，對分布式量子計算和量子網絡而言更是不可或缺的接口，是實現高效率光學頻率轉換和其他非線性光學效應的重要平臺。然而，在芯片上實現腔增強的頻率轉換過程，需要滿足三個或更多光學模式的相位匹配，這對于器件的設計、加工和調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的應用中，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幾乎不可能實現匹配。
為此，研究人員提出了一種新穎的簡并和頻效應，僅需要兩個光學模式就可以實現高效率的相干頻率轉換。并且，他們還實現了工作波長的精確調控：通過控制芯片基底溫度實現了頻率轉換匹配窗口的粗調，范圍可達100 GHz;基于前期光致微腔加熱效應的相關工作，實現了MHz量級的精細調控。他們在實驗中實現的1560納米到780納米波長的光子數轉換效率最高可達42%，頻率帶寬可達250GHz。研究組進一步從理論出發，發現模式簡并頻率轉換的信號還有可能獲得一定的增益這一重要的物理現象，這在之前的光學相干頻率轉換的研究中被忽略了。他們實驗上驗證并預言可以通過對芯片的工藝參數的進一步調控實現效率超過100%的頻率轉換，同時實現信號的轉換和放大。
審稿人對該工作給予了高度評價：“這對片上量子信息處理極其重要，轉換效率的每一個百分比在這些應用中都至關重要”。(記者 吳長鋒)
關鍵詞： 集成光學芯片
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