中國(guó)科大在片上光學(xué)模擬領(lǐng)域獲得重要進(jìn)展

近日，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、唐建順等人在基于薄膜鈮酸鋰光芯片的頻率合成維度研究中，提出將模擬的格點(diǎn)限制在一個(gè)腔模內(nèi)的新方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，極大地降低了片上頻率合成維度的頻率要求。該成果12月5日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

以光為載體的頻率合成維度是近年來(lái)興起的一種模擬手段，用于研究不易直接接觸或觀測(cè)的物理系統(tǒng)，對(duì)驗(yàn)證理論乃至預(yù)測(cè)物理現(xiàn)象具有重要意義。在許多工作中，研究者用含電光調(diào)制器的光纖環(huán)腔實(shí)現(xiàn)頻率合成維度，其中以間隔為自由光譜范圍（FSR）的模式作為格點(diǎn)，用電光相位調(diào)制引入格點(diǎn)之間的相互作用，其調(diào)制頻率通常為FSR的整數(shù)倍。同時(shí)，薄膜鈮酸鋰芯片有高電光系數(shù)的天然條件，以及高穩(wěn)定性和強(qiáng)可擴(kuò)展性的優(yōu)勢(shì)，非常適合作為頻率合成維度的平臺(tái)。然而，光芯片上的腔長(zhǎng)短，F(xiàn)SR大，導(dǎo)致以前的方法所需的調(diào)制頻率很高（10GHz或更高），對(duì)片上的調(diào)制效率以及配套的設(shè)備都提出非常高的要求。特別是存在長(zhǎng)程耦合時(shí)，所需的頻率將進(jìn)一步翻倍，極大地阻礙了片上頻率合成維度的發(fā)展。

在本工作中，研究組為了緩解這一困難，提出可以通過(guò)使用遠(yuǎn)小于一個(gè)腔模寬度的調(diào)制頻率（MHz量級(jí)），去選出一系列限制在腔模之內(nèi)的頻率作為格點(diǎn)形成合成維度。在合理的近似下，研究組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法與傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法得到的準(zhǔn)動(dòng)量空間的能帶完全吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在存在8倍和9倍于頻率晶格常數(shù)的長(zhǎng)程耦合時(shí)，該方法將實(shí)驗(yàn)的頻率要求降低了5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

實(shí)驗(yàn)示意圖及能帶結(jié)果圖。上方表示準(zhǔn)動(dòng)量空間能帶測(cè)量實(shí)驗(yàn)示意圖；插圖表示模擬中鏈狀結(jié)構(gòu)的格點(diǎn)分布，所有的格點(diǎn)都被限制在一個(gè)共振峰內(nèi)；下方左圖表示包含長(zhǎng)程耦合的管狀結(jié)構(gòu)示意圖；右圖表示實(shí)驗(yàn)測(cè)得的包含兩種耦合長(zhǎng)度的模型的能帶圖，其中r為兩種耦合的長(zhǎng)度比，Φ表示光學(xué)規(guī)范勢(shì)。

本工作在極大地緩解高頻對(duì)片上合成維度帶來(lái)的困難的同時(shí)，也保持了傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的拓展性，能夠推廣應(yīng)用至更高維的模型中，在薄膜鈮酸鋰光芯片上實(shí)現(xiàn)高維和復(fù)雜的頻率合成維度。審稿人高度評(píng)價(jià)該成果“opens a new avenue within the area of studying synthetic dimensions on photonic chips（為研究光芯片上的合成維度開辟了一條新途徑）”。

中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生汪兆安、曾曉東、特任副研究員王軼韜為論文的共同第一作者。該工作得到了合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省和中國(guó)博士后基金的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.233805