集成光學芯片領域取得新進展 中國科大實現(xiàn)跨波段的頻率轉換和放大

中國科大郭光燦院士團隊在集成光學芯片領域取得新進展，該團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換，并進一步探究了微腔內(nèi)的級聯(lián)非線性光學效應，實現(xiàn)跨波段的頻率轉換和放大。

據(jù)悉，相干光學頻率轉換在經(jīng)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)絡而言更是不可或缺的接口。因此，最近國際上有大量關于實現(xiàn)高效頻率轉換器件的實驗研究。

其中，集成光子芯片上微腔是實現(xiàn)高效率光學頻率轉換和其他非線性光學效應的重要平臺，其可以增強光和物質相互作用，并具有體積小、可擴展性高、能耗小等優(yōu)點。然而，在芯片上實現(xiàn)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(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，僅需要兩個光學模式就可以實現(xiàn)高效率的相干頻率轉換;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)了頻率轉換匹配窗口的粗調(diào)，范圍可達 100 GHz;除此之外，研究組基于前期光致微腔加熱效應的相關工作，實現(xiàn)了 MHz 量級的精細調(diào)控。如圖，實驗中實現(xiàn)的 1560nm 到 780nm 波長的光子數(shù)轉換效率最高可達 42%，頻率帶寬可達 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，研究組預言稱，可通過對芯片的工藝參數(shù)的進一步調(diào)控實現(xiàn)效率超過 100% 的頻率轉換，同時實現(xiàn)信號的轉換和放大。

該成果于 3 月 29 日在國際學術期刊《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換的新穎方法，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)”。

關鍵詞： 光學芯片 領域 中國科大