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摘要：
中国科学院中国科学技术大学郭光灿教授和邹长岭教授团队通过简并和频过程实现了微谐振器中的高效变频，并实现了跨带变频和通过观察微谐振器内部的级联非线性光学效应来放大转换信号。该研究发表在《物理评论快报》上。
研究人员在集成光子芯片上实现高效的频率转换
中国合肥 |发表于 23 年 2021 月 XNUMX 日
相干变频过程在通信、探测、传感、成像等经典和量子信息领域有着广泛的应用。作为连接光纤通信和原子跃迁之间波段的桥梁，相干变频是分布式量子计算和量子网络的必要接口。
集成非线性光子芯片因其通过微谐振器增强光与物质相互作用来改善非线性光学效应的重大技术进步而脱颖而出，并且具有尺寸小、可扩展性强、能耗低等优点。这些使得集成非线性光子芯片成为有效转换光频率和实现其他非线性光学效应的重要平台。
然而，片上谐振增强相干频率转换需要不同波长之间的多种（三种或更多）模式的相位匹配条件，这给器件的设计、制造和调制带来了巨大的挑战。特别是在原子和分子光谱应用中，集成非线性光子芯片纳米加工技术带来的固有误差使得微谐振器的谐振频率难以与原子跃迁频率匹配。
这项研究的研究人员提出了一种新的高效相干频率转换方案，通过简并和频过程仅需要二模相位匹配条件。他们实现了频率窗口（FW）的精确调谐：通过调节器件温度进行粗调，调谐范围为100 GHz；基于以前的集成微腔全光热控制工作，进行了 MHz 级的微调。
结果表明，在从42 nm宽到1560 nm宽波长的光子数转换过程中，实现的最佳效率高达780%，表明频率调谐带宽超过250GHz。这满足了电信光子和铷（Rb）原子的互连。
此外，研究人员还通过实验验证了单个微谐振器内的级联χ(2)和克尔非线性光学效应，以放大转换后的信号，这在之前被忽视了。因此，通过调整器件制造参数，实现信号转换和放大的同时进行，最高转换效率有可能达到100%以上。
这项研究为高效片上频率转换提供了一种新颖的方法，这对于片上量子信息处理极其重要。
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