Researchers Realize High-efficiency Frequency Conversion On Integrated Photonic Chip

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Abstrato:
Uma equipe liderada pelo Prof. GUO Guangcan e Prof. ZOU Changling da Universidade de Ciência e Tecnologia da China da Academia Chinesa de Ciências realizou conversão de frequência eficiente em microrressonadores por meio de um processo degenerado de soma de frequência e alcançou conversão de frequência de banda cruzada e amplificação do sinal convertido através da observação dos efeitos ópticos não lineares em cascata dentro do microrressonador. O estudo foi publicado na Physics Review Letters.

Pesquisadores realizam conversão de frequência de alta eficiência em chip fotônico integrado

Hefei, China | Postado em 23 de abril de 2021

O processo de conversão de frequência coerente tem ampla aplicação em campos de informação clássica e quântica, como comunicação, detecção, sensoriamento e imagem. Como uma ponte que conecta as bandas de onda entre telecomunicações de fibra e transição atômica, a conversão de frequência coerente é uma interface necessária para computação quântica distribuída e redes quânticas.

O chip fotônico não linear integrado se destaca por seus avanços tecnológicos significativos para melhorar os efeitos ópticos não lineares pelo microrressonador, aumentando a interação luz-matéria, junto com outras vantagens como tamanho pequeno, grande escalabilidade e baixo consumo de energia. Isso torna os chips fotônicos não lineares integrados uma plataforma importante para converter a frequência óptica com eficiência e realizar outros efeitos ópticos não lineares.

No entanto, a conversão de frequência coerente ressonante aprimorada no chip requer vários (três ou mais) modos de condição de combinação de fase entre comprimentos de onda distintos, o que impõe desafios significativos ao design, fabricação e modulação dos dispositivos. Especialmente na aplicação de espectroscopia atômica e molecular, o erro intrínseco trazido pela técnica de nanofabricação de chips fotônicos não lineares integrados torna a frequência ressonante do microrressonador difícil de corresponder à frequência de transição atômica.

Os pesquisadores neste estudo propuseram um novo esquema para conversão de frequência coerente de alta eficiência exigindo apenas a condição de casamento de fase de dois modos por meio de um processo degenerado de soma de frequência. Eles alcançaram a sintonia precisa da janela de frequência (FW): sintonia grosseira ajustando a temperatura do dispositivo com uma faixa de sintonia de 100 GHz; ajuste fino com o nível de MHz baseado em trabalho anterior de controle térmico totalmente óptico em uma microcavidade integrada.

Os resultados mostraram que a melhor eficiência alcançada foi de até 42% durante a conversão do número de fótons de comprimento de onda de 1560 nm para 780 nm, indicando uma largura de banda de sintonia de frequência acima de 250 GHz. Isso satisfez a interconexão de fótons de telecomunicações e átomos de rubídio (Rb).

Além disso, os pesquisadores verificaram experimentalmente os efeitos óticos não lineares de Kerr e χ (2) em cascata dentro de um único microrressonador para amplificar o sinal convertido, o que foi negligenciado antes. Assim, a maior eficiência de conversão tinha o potencial de atingir mais de 100% por meio do ajuste dos parâmetros de fabricação do dispositivo, atendendo simultaneamente o sinal convertido e amplificado.

Este estudo fornece uma nova maneira de conversão de freqüência on-chip eficiente, que é extremamente importante para o processamento de informações quânticas on-chip.

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