圖1.集成微腔光頻梳全鎖定

近日，西安光機所超快光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室張文富研究員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息重點實驗室郭光燦院士團隊陳巍研究員與國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院楊俊教授三個團隊合作，在集成微腔光學(xué)頻率梳領(lǐng)域取得進展。團隊基于微波注入、光頻參考、熱微擾頻率調(diào)諧等技術(shù)，實現(xiàn)了兩套獨立泵浦的“全同”微腔孤子光學(xué)頻率梳，基于此，實驗驗證了滿足ITU頻率間隔標(biāo)準(zhǔn)(50GHz)的50通道梳齒對之間的高可見度Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉，證明了利用經(jīng)典波分復(fù)用光通信的復(fù)用思路實現(xiàn)大規(guī)模并行量子通信的可行性。

研究團隊提出利用集成微腔雙光頻梳解決非經(jīng)典光子干涉對獨立產(chǎn)生的光子在頻率、時空模式、偏振態(tài)等方面的嚴(yán)格匹配問題，突破傳統(tǒng)原子躍遷頻率參考激光器在波長數(shù)量和波長間隔等方面的限制。為實現(xiàn)上述設(shè)想，團隊發(fā)展了集成微腔光頻梳長時間穩(wěn)定與頻率對準(zhǔn)技術(shù)，實現(xiàn)了50通道 的“全同”梳齒對(光子對)的產(chǎn)生。

在集成微腔光頻梳長時間穩(wěn)定方面，主要涉及泵浦光頻和重復(fù)頻率鎖定。針對光頻鎖定，團隊通過調(diào)制轉(zhuǎn)移譜技術(shù)將泵浦激光頻率鎖定到銣原子躍遷頻率上，實現(xiàn)泵浦激光頻率穩(wěn)定性2個數(shù)量級的提升(如圖1(a)所示);針對重復(fù)頻率鎖定，采用高階邊帶微波注入鎖定技術(shù)，使重復(fù)頻率抖動從kHz量級降低到Hz量級(如圖1(b)所示)。光頻與重復(fù)頻率全鎖定確保了腔內(nèi)光場的恒定，保證了集成微腔光頻梳的長時間穩(wěn)定運行，如圖1(c)所示，該全鎖定方案成功實現(xiàn)了耗散型光孤子在微腔中的持續(xù)穩(wěn)定存在超過120小時(受限于實驗時長)，相比于自由運轉(zhuǎn)的微腔光頻梳，梳齒頻率穩(wěn)定性提升約3個數(shù)量級。

在獨立產(chǎn)生的雙集成微腔光頻梳頻率對準(zhǔn)方面，主要涉及在鎖模的前提下實現(xiàn)頻率的精細(xì)調(diào)諧。由于微納加工過程中不可避免的材料和結(jié)構(gòu)誤差，導(dǎo)致不同微環(huán)諧振腔之間的自由光譜范圍(FSR)和諧振頻率存在微小差異，致使異地獨立產(chǎn)生的微腔光頻梳間梳齒頻率存在頻差并隨模式階數(shù)正比積累，嚴(yán)重影響雙微腔光頻梳間光子的全同性。因此，在全鎖定微腔光頻梳梳齒頻率穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，需要進一步通過物理手段實現(xiàn)孤子微梳的重復(fù)頻率調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)異地不同微腔產(chǎn)生的獨立微腔光頻梳的頻率對齊。實驗中，通過聲光移頻的輔助光熱平衡方案實現(xiàn)腔內(nèi)熱效應(yīng)管理，擴展了孤子臺階長度超過一個數(shù)量級，達到3GHz(如圖2(a)所示)，有效保證了微擾下孤子鎖模的穩(wěn)定性;進而通過對泵浦功率、泵浦與輔助激光間的拍頻和微腔溫度三個物理量的微調(diào)控，實現(xiàn)超過100kHz頻率范圍的微腔光頻梳重復(fù)頻率的精細(xì)調(diào)諧，達到異地獨立產(chǎn)生的兩個微腔光頻梳多梳齒之間的頻率對準(zhǔn)(如圖2(b)所示)。

圖2.兩套集成微腔光頻梳頻率的精細(xì)調(diào)諧與梳齒對準(zhǔn)

最后，基于兩套獨立產(chǎn)生的頻率嚴(yán)格對準(zhǔn)的全鎖定集成微腔光頻梳實現(xiàn)了50通道梳齒對之間的HOM干涉，平均干涉可見度超過46%(如圖3(a)所示)證明了利用經(jīng)典波分復(fù)用光通信的復(fù)用思路實現(xiàn)大規(guī)模并行量子通信的可行性(如圖3(b)所示)，為基于集成光學(xué)構(gòu)建更高效、可擴展的量子通信系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3.基于獨立產(chǎn)生的微腔光頻梳50通道HOM干涉

相關(guān)研究成果以“Massively parallel Hong-Ou-Mandel interference based on independent soliton microcombs”為題發(fā)表在Science Advances期刊，并被編輯推薦為本期精選(featured)，如圖A1所示。西安光機所博士研究生黃龍、副研究員王偉強和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員王紡翔為論文的共同第一作者，西安光機所博士研究生王陽、唐林涵參與了主要實驗工作，張文富、陳巍和國防科技大學(xué)王國超為共同通訊作者，西安光機所趙衛(wèi)研究員對工作進行了悉心指導(dǎo)。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和科技創(chuàng)新2030重大項目等支持。

審核編輯 黃宇