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集積フォトニックチップで高効率周波数変換を達成

May, 13, 2021, 北京--中国科学技術大学(USTC)教授、GUO Guangcanと ZOU Changlingのチームは、縮退和周波プロセスにより効率的な周波数変換を理解し、マイクロ共振器内のカスケード非線形光学効果を観察することで変換した信号のクロスバンド周波数変換と増幅を達成した。研究成果は、Physiscs Review Lettersに発表された。

コヒレント周波数変換は、古典的、量子情報分野、例えば通信、検出、センシング、イメージングに広範なアプリケーションがある。ファイバ通信と原子遷移間のブリッジ接続波長帯として、コヒレント周波数変換は、分散量子コンピューティングや量子ネットワークには必要なインタフェースである。

集積非線形フォトニックチップが、際立っている理由は以下の通りである。小型、大きなスケーラビリティ、低エネルギー消費などの利点とともに、マイクロ共振器の光と物質の相互作用強化により非線形光学効果改善で、大きな技術的進歩が、その理由である。これらにより、集積非線形フォトニックチップは、効率的な周波数変換、他の非線形光学効果の実現のための重要なプラットフォームになる。

しかし、オンチップ共鳴強化コヒレント周波数変換には、明確に区別できる波長間に複数(3またはそれ以上)の位相整合条件モードが必要である。このため、デバイスの設計、製造、変調への課題が大きい。特に、原子および分子分光分析アプリケーションでは、集積非線形フォトニックチップのナノファブリケーション技術によってもたらされる固有の誤差のために、マイクロ共振器の共鳴周波数が原子遷移周波数との一致が困難になる。

この研究のチームは、縮退和周波数プロセスによりわずか2つのモード位相整合を必要とするだけの高効率コヒレント周波数変換の新スキームを提案した。チームは、周波数ウインドウ(FW)の精密チューニングを達成した。チューニングレンジ100GHzでデバイス温度を調整する粗チューニング。以前の研究、集積マイクロキャビティにおける全光サーマル制御に基づいたMHzレベルのファインチューニングである。

結果は、1560-nmワイドから780-nmワイドへのフォトン数変換中、達成されたベストの効率は42%だった。これは、周波数チューニング帯域250GHzを示しており、テレコムフォトンとルビジウム(Rb)原子の相互作用を満たしていた。

さらに研究チームは、変換された信号を増幅するために単一マイクロ共振器内のカスケードχ(2) およびKerr 非線形光学効果を検証した。したがって、最高変換効率は、デバイス製造パラメタ調整、信号変換と増幅の同時実行により達成可能であった。

この研究は、オンチップ周波数変換の新たな方法を提供するものである。これは、もオンチップ量子情報処理には極めて重要である。
(詳細は、https://english.cas.cn/)