Een team onder leiding van Prof. GUO Guangcan en Prof. ZOU Changling van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China van de Chinese Academie van Wetenschappen realiseerde een efficiënte frequentieconversie in microresonatoren via een gedegenereerd som-frequentieproces, en bereikte cross-band frequentieconversie en versterking van geconverteerd signaal door het observeren van de gecascadeerde niet-lineaire optische effecten in de microresonator. De studie is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Het coherente frequentieomzettingsproces heeft brede toepassing in klassieke en kwantuminformatiegebieden zoals communicatie, detectie, voelen, en beeldvorming. Als een brug die golfbanden verbindt tussen glasvezeltelecommunicatie en atomaire transitie, coherente frequentieconversie is een noodzakelijke interface voor gedistribueerde kwantumcomputers en kwantumnetwerken.

Geïntegreerde niet-lineaire fotonische chip onderscheidt zich door zijn aanzienlijke technologische vooruitgang van het verbeteren van niet-lineaire optische effecten door microresonatoren die de interactie tussen licht en materie verbeteren, samen met andere voordelen zoals klein formaat, grote schaalbaarheid, en een laag energieverbruik. Deze maken van geïntegreerde niet-lineaire fotonische chips een belangrijk platform om optische frequentie efficiënt te verbergen en andere niet-lineaire optische effecten te realiseren.

Echter, de resonantie-verbeterde coherente frequentieconversie op de chip vereist meerdere (drie of meer) modi van faseafstemming tussen verschillende golflengten, wat aanzienlijke uitdagingen met zich meebrengt voor het ontwerp van de apparaten, fabricage, en modulatie. Vooral bij de toepassing van atomaire en moleculaire spectroscopie, de intrinsieke fout veroorzaakt door de nanofabricagetechniek van geïntegreerde niet-lineaire fotonische chips maakt de resonantiefrequentie van de microresonator moeilijk om de atomaire overgangsfrequentie te evenaren.

De onderzoekers in deze studie stelden een nieuw schema voor voor zeer efficiënte coherente frequentieconversie waarvoor alleen de twee-mode fase-aanpassingsconditie nodig was via een gedegenereerd som-frequentieproces. Ze bereikten een nauwkeurige afstemming van het frequentievenster (FW):grove afstemming door de apparaattemperatuur aan te passen met een afstembereik van 100 GHz; fijnafstemming met MHz-niveau op basis van eerder werk van volledig optische thermische controle in een geïntegreerde microholte.

De resultaten toonden aan dat de best behaalde efficiëntie tot 42% was tijdens de foton-getalconversie van 1560 nm brede naar 780 nm brede golflengte, wat een frequentie-afstemmingsbandbreedte aangeeft van meer dan 250 GHz. Dit voldeed aan de onderlinge verbinding van telecomfotonen en rubidium (Rb) -atomen.

Daarnaast, de onderzoekers hebben experimenteel gecascadeerde χ (2) en Kerr niet-lineaire optische effecten in een enkele microresonator geverifieerd om het geconverteerde signaal te versterken, die vroeger verwaarloosd werd. De hoogste conversie-efficiëntie was dus het potentieel om meer dan 100% te bereiken door de fabricageparameters van het apparaat aan te passen, vervullen gelijktijdig signaal omgezet en versterkt.

Deze studie biedt een nieuwe manier voor efficiënte on-chip frequentieconversie, wat uiterst belangrijk is voor de verwerking van kwantuminformatie op de chip.