原標(biāo)題：中國(guó)科大集成光學(xué)芯片領(lǐng)域新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)高效光子頻率轉(zhuǎn)換

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（中國(guó)科大）在集成光學(xué)芯片領(lǐng)域取得了新進(jìn)展，成功實(shí)現(xiàn)了高效光子頻率轉(zhuǎn)換。這一成果由郭光燦院士團(tuán)隊(duì)中的鄒長(zhǎng)鈴研究組完成，并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。以下是關(guān)于這一新進(jìn)展的詳細(xì)歸納：

一、研究背景與意義

• 集成光子芯片上微腔能夠增強(qiáng)光和物質(zhì)相互作用，提升非線性光學(xué)效應(yīng)，同時(shí)具有體積小、可擴(kuò)展性高、能耗小等優(yōu)點(diǎn)。

• 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、成像等，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。

二、研究?jī)?nèi)容與成果

• 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。

• 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)了跨波段的頻率轉(zhuǎn)換和放大。

• 實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)的1560納米到780納米波長(zhǎng)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。

• 研究組還從理論出發(fā)，考慮了微腔內(nèi)的克爾效應(yīng)以及級(jí)聯(lián)二階非線性光學(xué)效應(yīng)，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。

• 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(guò)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(guò)100%的頻率轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大。

三、技術(shù)難點(diǎn)與解決方案

• 在芯片上實(shí)現(xiàn)腔增強(qiáng)的頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程需要滿足三個(gè)或更多光學(xué)模式的相位匹配，對(duì)器件的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控提出了非?？量痰囊?。

• 微納加工工藝帶來(lái)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。

• 研究組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。

• 實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)的精確調(diào)控：通過(guò)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)100GHz；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。

四、應(yīng)用前景與展望

• 這一研究成果為集成光學(xué)芯片在量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要支持。

• 未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的光子頻率轉(zhuǎn)換，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

綜上所述，中國(guó)科大在集成光學(xué)芯片領(lǐng)域的新進(jìn)展為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了重要支持，展示了中國(guó)在高科技領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和發(fā)展?jié)摿Α?/span>