中国科大：已在集成光子芯片上实现人工合成非线性效应

2022-10-24 14:28

据相关消息称，中国科学技术大学郭光灿院士团队在集成光子芯片量子器件的研究中取得重要进展。该团队邹长铃、李明研究组提出人工合成光学非线性过程的通用方法，在集成芯片微腔中实验观测到高效率的合成高阶非线性过程，并展示了其在跨波段量子纠缠光源中的应用潜力。相关成果以“Synthetic five－wave mixing in an integrated microcavity for visible－telecom entanglement generation”为题于10月20日在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》上。

自激光问世以来，非线性光学效应已经被广泛应用于光学成像、光学传感、频率转换和精密光谱等领域中。对于新兴的量子信息处理来说，它也是实现量子纠缠光源以及量子逻辑门操作的核心元素。然而受限于材料非线性极化率随阶数呈指数衰减这一本征属性，人们对光学非线性的应用主要局限于二阶和三阶过程，多个光子同时参与的高阶过程很少被研究。一方面，低阶过程限制了传统非线性与光量子器件的性能，比如量子光源的可扩展性；另一方面，人们也好奇高阶非线性过程所蕴含的新颖非线性与量子物理现象。

利用集成光子芯片上的微纳光学结构可以增强光子间的非线性相互作用，这已经成为目前国际上集成光学与非线性光学方向的研究热点。邹长铃研究组李明等人长期致力于集成光子芯片量子器件的研究，开拓微腔增强的非线性光子学，提出并证实了微腔内多种非线性过程的协同效应［PRL 126，133601（2021）；PRA 98，013854（2018）］，开辟了室温下少光子、甚至单光子级的量子器件的新途径［PRL 129，043601（2022）；PRApplied 13，044013（2020）］。现阶段，该研究组已经能够将非线性相互作用强度随阶次的衰减速率从10－10提升到10－5。即使如此，在集成光子芯片上实验观测到阶次大于三的高效率非线性效应依然极具挑战。