中国科大在集成光学芯片上实现高效光子频率转换 - 中科大家长论坛

我校郭光灿院士团队在集成光学芯片领域取得新进展。该团队邹长铃研究组在集成光子芯片上实现了基于微腔简并模式的高效光子频率转换，并进一步探究了微腔内的级联非线性光学效应，实现跨波段的频率转换和放大。相关成果以“Efficient frequency conversion in a degenerateχ(2) microresonator”为题3月29日在线发表于国际学术期刊《物理评论快报》上。

相干光学频率转换在经典和量子信息领域都有广泛的应用，如通讯、探测、传感，成像，同时也是连接光纤通讯波段和各种原子的跃迁波段的工具，对分布式量子计算和量子网络而言更是不可或缺的接口。因此，最近国际上有大量关于实现高效频率转换器件的实验研究。集成光子芯片上微腔可以增强光和物质相互作用，所以可以提升非线性光学效应，同时还具有体积小，可扩展性高，能耗小等优点，是实现高效率光学频率转换和其他非线性光学效应的重要平台。

然而，在芯片上实现腔增强的频率转换过程，需要满足三个或更多光学模式的相位匹配，这对于器件的设计、加工和调控提出了非常苛刻的要求。特别是针对于原子分子光谱相关的应用中，集成光子芯片的微纳加工工艺带来的误差使得微腔的共振频率与原子的跃迁线（例如Rb原子D2线宽为6MHz）几乎不可能实现匹配。为此，邹长铃研究组提出了一种新颖的简并和频效应，仅需要两个光学模式就可以实现高效率的相干频率转换。并且，他们还实现了工作波长的精确调控：通过控制芯片基底温度实现了频率转换匹配窗口的粗调，范围可达100 GHz；基于前期光致微腔加热效应的相关工作[Optics Express 28, 11144(2020)]，实现了MHz量级的精细调控。

如图所示，实验中实现的1560nm到780nm波长的光子数转换效率最高可达42%，频率带宽可达250GHz，可以满足后续通讯波段光子与Rb原子互联的需求。研究组进一步从理论出发，考虑了微腔内的Kerr效应以及级联二阶非线性光学效应，发现模式简并频率转换的信号还有可能获得一定的增益，这在之前的光学相干频率转换的研究中被忽略了。他们实验上验证了这一重要的物理现象，并预言可以通过对芯片的工艺参数的进一步调控实现效率超过100%的频率转换，同时实现信号的转换和放大。

审稿人对该工作给予了高度评价：“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（总的来说，该工作提供了一种高效率片上频率转换的新颖方法，这对片上量子信息处理极其重要，转换效率的每一个百分比在这些应用中都至关重要）”。