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記者從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團(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(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)成果日前在線發(fā)表于國際學(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，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(shí)現(xiàn)匹配。

為此，研究人員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，實(shí)現(xiàn)了MHz量級(jí)的精細(xì)調(diào)控。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的1560納米到780納米波長的光子數(shù)轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)42%，頻率帶寬可達(dá)250GHz。研究組進(jìn)一步從理論出發(fā)，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一重要的物理現(xiàn)象，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)證并預(yù)言可以通過對(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)：“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”。(記者 吳長鋒)