中國科學技術大學郭光燦院士團隊在集成光學芯片領域取得新進展。該團隊鄒長鈴研究組在集成光子芯片上實現了基于微腔簡并模式的高效光子頻率轉換，并進一步探究了微腔內的級聯非線性光學效應，實現跨波段的頻率轉換和放大。相關成果以“Efficient frequency conversion in a degenerateχ(2) microresonator”為題3月29日在線發表于國際學術期刊《物理評論快報》上。

相干光學頻率轉換在經典和量子信息領域都有廣泛的應用，如通訊、探測、傳感，成像，同時也是連接光纖通訊波段和各種原子的躍遷波段的工具，對分布式量子計算和量子網絡而言更是不可或缺的接口。因此，最近國際上有大量關于實現高效頻率轉換器件的實驗研究。集成光子芯片上微腔可以增強光和物質相互作用，所以可以提升非線性光學效應，同時還具有體積小，可擴展性高，能耗小等優點，是實現高效率光學頻率轉換和其他非線性光學效應的重要平臺。

然而，在芯片上實現腔增強的頻率轉換過程，需要滿足三個或更多光學模式的相位匹配，這對于器件的設計、加工和調控提出了非常苛刻的要求。特別是針對于原子分子光譜相關的應用中，集成光子芯片的微納加工工藝帶來的誤差使得微腔的共振頻率與原子的躍遷線（例如Rb原子D2線寬為6MHz）幾乎不可能實現匹配。為此，鄒長鈴研究組提出了一種新穎的簡并和頻效應，僅需要兩個光學模式就可以實現高效率的相干頻率轉換。并且，他們還實現了工作波長的精確調控：通過控制芯片基底溫度實現了頻率轉換匹配窗口的粗調，范圍可達100 GHz；基于前期光致微腔加熱效應的相關工作[Optics Express 28, 11144(2020)]，實現了MHz量級的精細調控。

如圖所示，實驗中實現的1560nm到780nm波長的光子數轉換效率最高可達42%，頻率帶寬可達250GHz，可以滿足后續通訊波段光子與Rb原子互聯的需求。研究組進一步從理論出發，考慮了微腔內的Kerr效應以及級聯二階非線性光學效應，發現模式簡并頻率轉換的信號還有可能獲得一定的增益，這在之前的光學相干頻率轉換的研究中被忽略了。他們實驗上驗證了這一重要的物理現象，并預言可以通過對芯片的工藝參數的進一步調控實現效率超過100%的頻率轉換，同時實現信號的轉換和放大。

審稿人對該工作給予了高度評價：“Overall, the current work provides a novel way for efficient on-chip frequency conversion, which is extremely important for on-chip quantum information processing, each percentage of conversion efficiency matters in these applications（總的來說，該工作提供了一種高效率片上頻率轉換的新穎方法，這對片上量子信息處理極其重要，轉換效率的每一個百分比在這些應用中都至關重要）”。