原標題：中國科大集成光學芯片領域新進展，實現(xiàn)高效光子頻率轉(zhuǎn)換

中國科學技術大學（中國科大）在集成光學芯片領域取得了新進展，成功實現(xiàn)了高效光子頻率轉(zhuǎn)換。這一成果由郭光燦院士團隊中的鄒長鈴研究組完成，并在集成光子芯片上實現(xiàn)了基于微腔簡并模式的高效光子頻率轉(zhuǎn)換。以下是關于這一新進展的詳細歸納：

一、研究背景與意義

• 集成光子芯片上微腔能夠增強光和物質(zhì)相互作用，提升非線性光學效應，同時具有體積小、可擴展性高、能耗小等優(yōu)點。

• 相干光學頻率轉(zhuǎn)換在經(jīng)典和量子信息領域都有廣泛的應用，如通訊、探測、傳感、成像等，是連接光纖通訊波段和各種原子的躍遷波段的工具，對分布式量子計算和量子網(wǎng)絡而言更是不可或缺的接口。

二、研究內(nèi)容與成果

• 研究組在集成光子芯片上實現(xiàn)了基于微腔簡并模式的高效光子頻率轉(zhuǎn)換。

• 進一步探究了微腔內(nèi)的級聯(lián)非線性光學效應，實現(xiàn)了跨波段的頻率轉(zhuǎn)換和放大。

• 實驗中，實現(xiàn)的1560納米到780納米波長的光子數(shù)轉(zhuǎn)換效率最高可達42%，頻率帶寬可達250GHz，可以滿足后續(xù)通訊波段光子與Rb原子互聯(lián)的需求。

• 研究組還從理論出發(fā)，考慮了微腔內(nèi)的克爾效應以及級聯(lián)二階非線性光學效應，發(fā)現(xiàn)模式簡并頻率轉(zhuǎn)換的信號還有可能獲得一定的增益。

• 實驗上驗證了這一重要的物理現(xiàn)象，并預言可以通過對芯片的工藝參數(shù)的進一步調(diào)控實現(xiàn)效率超過100%的頻率轉(zhuǎn)換，同時實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和放大。

三、技術難點與解決方案

• 在芯片上實現(xiàn)腔增強的頻率轉(zhuǎn)換過程需要滿足三個或更多光學模式的相位匹配，對器件的設計、加工和調(diào)控提出了非常苛刻的要求。

• 微納加工工藝帶來的誤差使得微腔的共振頻率與原子的躍遷線幾乎不可能實現(xiàn)匹配。

• 研究組提出了一種新穎的簡并和頻效應，僅需要兩個光學模式就可以實現(xiàn)高效率的相干頻率轉(zhuǎn)換。

• 實現(xiàn)了工作波長的精確調(diào)控：通過控制芯片基底溫度實現(xiàn)了頻率轉(zhuǎn)換匹配窗口的粗調(diào)，范圍可達100GHz；基于前期光致微腔加熱效應的相關工作，實現(xiàn)了MHz量級的精細調(diào)控。

四、應用前景與展望

• 這一研究成果為集成光學芯片在量子計算和量子網(wǎng)絡等領域的應用提供了重要支持。

• 未來，隨著技術的進一步發(fā)展，有望實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的光子頻率轉(zhuǎn)換，推動相關領域的發(fā)展。

綜上所述，中國科大在集成光學芯片領域的新進展為相關領域的研究和應用提供了重要支持，展示了中國在高科技領域的創(chuàng)新能力和發(fā)展?jié)摿Α?/span>