Ett team under ledning av prof. GUO Guangcan och prof. ZOU Changling från University of Science and Technology i Kina vid den kinesiska vetenskapsakademien insåg effektiv frekvenskonvertering i mikroresonatorer via en urartad sumfrekvensprocess, och uppnådde tvärbandsfrekvenskonvertering och förstärkning av konverterad signal genom att observera de kaskadfasade olinjära optiska effekterna inuti mikroresonatorn. Studien publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Sammanhängande frekvensomvandlingsprocess har bred tillämpning inom klassiska och kvantinformationsfält som kommunikation, upptäckt, avkänning, och bildbehandling. Som en bro som förbinder vågband mellan fibertelekommunikation och atomövergång, koherent frekvensomvandling är ett nödvändigt gränssnitt för distribuerad kvantberäkning och kvantnät.

Integrerat olinjärt fotoniskt chip sticker ut på grund av dess betydande tekniska framsteg när det gäller att förbättra olinjära optiska effekter genom mikroresonator som förbättrar ljus-materia-interaktionen, tillsammans med andra fördelar som liten storlek, stor skalbarhet, och låg energiförbrukning. Dessa gör integrerade olinjära fotoniska chips till en viktig plattform för att dölja optisk frekvens effektivt och förverkliga andra olinjära optiska effekter.

Dock, resonansförbättrad koherent frekvensomvandling på chipet kräver flera (tre eller flera) lägen för fasmatchning bland olika våglängder, vilket innebär stora utmaningar för enheternas design, tillverkning, och modulering. Speciellt vid tillämpning av atom- och molekylspektroskopi, det inneboende felet som orsakas av nanofabrikationstekniken för integrerade olinjära fotoniska chips gör mikroresonatorns resonansfrekvens svår att matcha atomövergångsfrekvens.

Forskarna i denna studie föreslog ett nytt schema för högeffektiv koherent frekvensomvandling som endast kräver två-mode fasmatchningstillstånd via en degenererad sumfrekvensprocess. De uppnådde exakt inställning av frekvensfönstret (FW):grovjustering genom att justera enhetens temperatur med ett inställningsområde på 100 GHz; finjustering med MHz-nivå baserat på tidigare arbete med heloptisk termisk styrning i en integrerad mikrokavitet.

Resultaten visade att den bäst uppnådda effektiviteten var upp till 42% under foton-talomvandlingen från 1560 nm till 780 nm bred våglängd, indikerar en frekvensinställande bandbredd över 250 GHz. Detta uppfyllde sammankopplingen av telekomfoner och rubidium (Rb) atomer.

Förutom, forskarna testade experimentellt kaskad χ (2) och Kerr olinjära optiska effekter inuti en enda mikroresonator för att förstärka den konverterade signalen, som försummades tidigare. Således var den högsta konverteringseffektiviteten potential att uppnå över 100% genom att justera enhetens tillverkningsparametrar, samtidigt som signalen omvandlas och förstärks.

Denna studie ger ett nytt sätt för effektiv frekvensomvandling på chip, vilket är extremt viktigt för on-chip kvantinformationsbehandling.