Forscher realisieren hocheffiziente Frequenzumwandlung auf integriertem Photonik-Chip

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Abstract:
Ein Team unter der Leitung von Prof. GUO Guangcan und Prof. ZOU Changling von der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften realisierte eine effiziente Frequenzumwandlung in Mikroresonatoren über einen entarteten Summenfrequenzprozess und erreichte eine bandübergreifende Frequenzumwandlung und Verstärkung des umgewandelten Signals durch Beobachtung der kaskadierten nichtlinearen optischen Effekte im Mikroresonator. Die Studie wurde in Physics Review Letters veröffentlicht.

Die Forscher realisieren eine hocheffiziente Frequenzumwandlung auf einem integrierten photonischen Chip

Hefei, China | Veröffentlicht am 23. April 2021

Der kohärente Frequenzumwandlungsprozess findet breite Anwendung in klassischen und Quanteninformationsbereichen wie Kommunikation, Detektion, Erfassung und Bildgebung. Als Brücke, die Wellenbänder zwischen Glasfasertelekommunikation und atomarem Übergang verbindet, ist die kohärente Frequenzumwandlung eine notwendige Schnittstelle für verteiltes Quantencomputing und Quantennetzwerke.

Der integrierte nichtlineare photonische Chip zeichnet sich durch seine bedeutenden technologischen Fortschritte bei der Verbesserung nichtlinearer optischer Effekte durch Mikroresonatoren aus, die die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie verbessern, sowie durch andere Vorteile wie geringe Größe, große Skalierbarkeit und geringen Energieverbrauch. Diese machen integrierte nichtlineare photonische Chips zu einer wichtigen Plattform, um optische Frequenzen effizient zu verdecken und andere nichtlineare optische Effekte zu realisieren.

Die resonanzverstärkte kohärente Frequenzumwandlung auf dem Chip erfordert jedoch mehrere (drei oder mehr) Modi der Phasenanpassungsbedingung unter verschiedenen Wellenlängen, was das Design, die Herstellung und die Modulation der Bauelemente vor erhebliche Herausforderungen stellt. Insbesondere bei der Anwendung der Atom- und Molekülspektroskopie macht es der Eigenfehler, der durch die Nanofabrikationstechnik integrierter nichtlinearer photonischer Chips verursacht wird, schwierig, die Resonanzfrequenz des Mikroresonators an die Atomübergangsfrequenz anzupassen.

Die Forscher in dieser Studie schlugen ein neues Schema für eine hocheffiziente kohärente Frequenzumwandlung vor, das nur die Zwei-Moden-Phasenanpassungsbedingung über einen entarteten Summenfrequenzprozess erfordert. Sie erreichten eine präzise Abstimmung des Frequenzfensters (FW): Grobabstimmung durch Einstellen der Gerätetemperatur mit einem Abstimmbereich von 100 GHz; Feinabstimmung mit MHz-Pegel basierend auf früheren Arbeiten zur rein optischen Wärmesteuerung in einer integrierten Mikrokavität.

Die Ergebnisse zeigten, dass die am besten erzielte Effizienz während der Umwandlung der Photonenzahl von einer Wellenlänge von 42 nm in eine Wellenlänge von 1560 nm bis zu 780% betrug, was auf eine Frequenzabstimmungsbandbreite über 250 GHz hinweist. Dies erfüllte die Verbindung von Telekommunikationsphotonen und Rubidium (Rb) -Atomen.

Außerdem überprüften die Forscher experimentell kaskadierte nichtlineare optische χ (2) - und Kerr-Effekte in einem einzelnen Mikroresonator, um das zuvor vernachlässigte konvertierte Signal zu verstärken. Somit war die höchste Umwandlungseffizienz das Potenzial, über 100% durch Anpassen der Herstellungsparameter der Vorrichtung zu erreichen, wobei gleichzeitig das konvertierte und verstärkte Signal erfüllt wurde.

Diese Studie bietet einen neuen Weg für eine effiziente Frequenzumwandlung auf dem Chip, der für die Verarbeitung von Quanteninformationen auf dem Chip äußerst wichtig ist.

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