圖1.集成微腔光頻梳全鎖定

近日，西安光機(jī)所超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文富研究員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭光燦院士團(tuán)隊(duì)陳巍研究員與國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院楊俊教授三個(gè)團(tuán)隊(duì)合作，在集成微腔光學(xué)頻率梳領(lǐng)域取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)基于微波注入、光頻參考、熱微擾頻率調(diào)諧等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩套獨(dú)立泵浦的“全同”微腔孤子光學(xué)頻率梳，基于此，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了滿足ITU頻率間隔標(biāo)準(zhǔn)(50GHz)的50通道梳齒對(duì)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行量子通信的可行性。

研究團(tuán)隊(duì)提出利用集成微腔雙光頻梳解決非經(jīng)典光子干涉對(duì)獨(dú)立產(chǎn)生的光子在頻率、時(shí)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(zhǎng)數(shù)量和波長(zhǎng)間隔等方面的限制。為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了集成微腔光頻梳長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定與頻率對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了50通道 的“全同”梳齒對(duì)(光子對(duì))的產(chǎn)生。

在集成微腔光頻梳長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定方面，主要涉及泵浦光頻和重復(fù)頻率鎖定。針對(duì)光頻鎖定，團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)泵浦激光頻率穩(wěn)定性2個(gè)數(shù)量級(jí)的提升(如圖1(a)所示);針對(duì)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(dòng)從kHz量級(jí)降低到Hz量級(jí)(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(chǎng)的恒定，保證了集成微腔光頻梳的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，如圖1(c)所示，該全鎖定方案成功實(shí)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(shí)(受限于實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng))，相比于自由運(yùn)轉(zhuǎn)的微腔光頻梳，梳齒頻率穩(wěn)定性提升約3個(gè)數(shù)量級(jí)。

在獨(dú)立產(chǎn)生的雙集成微腔光頻梳頻率對(duì)準(zhǔn)方面，主要涉及在鎖模的前提下實(shí)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(dú)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(jìn)一步通過物理手段實(shí)現(xiàn)孤子微梳的重復(fù)頻率調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)異地不同微腔產(chǎn)生的獨(dú)立微腔光頻梳的頻率對(duì)齊。實(shí)驗(yàn)中，通過聲光移頻的輔助光熱平衡方案實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)熱效應(yīng)管理，擴(kuò)展了孤子臺(tái)階長(zhǎng)度超過一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)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(jìn)而通過對(duì)泵浦功率、泵浦與輔助激光間的拍頻和微腔溫度三個(gè)物理量的微調(diào)控，實(shí)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(dá)到異地獨(dú)立產(chǎn)生的兩個(gè)微腔光頻梳多梳齒之間的頻率對(duì)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(duì)準(zhǔn)

最后，基于兩套獨(dú)立產(chǎn)生的頻率嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)的全鎖定集成微腔光頻梳實(shí)現(xiàn)了50通道梳齒對(duì)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(shí)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(kuò)展的量子通信系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3.基于獨(dú)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(jī)所博士研究生黃龍、副研究員王偉強(qiáng)和中國(guó)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(jī)所博士研究生王陽(yáng)、唐林涵參與了主要實(shí)驗(yàn)工作，張文富、陳巍和國(guó)防科技大學(xué)王國(guó)超為共同通訊作者，西安光機(jī)所趙衛(wèi)研究員對(duì)工作進(jìn)行了悉心指導(dǎo)。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目等支持。

審核編輯 黃宇