Un team guidato dal Prof. GUO Guangcan e dal Prof. ZOU Changling dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina dell'Accademia delle Scienze cinese ha realizzato un'efficiente conversione di frequenza nei microrisonatori tramite un processo somma-frequenza degenere, e ha ottenuto la conversione di frequenza a banda incrociata e l'amplificazione del segnale convertito osservando gli effetti ottici non lineari in cascata all'interno del microrisonatore. Lo studio è stato pubblicato su Lettere di revisione fisica .

Il processo di conversione di frequenza coerente ha un'ampia applicazione nei campi dell'informazione classica e quantistica come la comunicazione, rilevamento, rilevamento, e immagini. Come un ponte che collega le bande d'onda tra le telecomunicazioni in fibra e la transizione atomica, la conversione di frequenza coerente è un'interfaccia necessaria per il calcolo quantistico distribuito e le reti quantistiche.

Il chip fotonico non lineare integrato si distingue per i suoi significativi progressi tecnologici nel miglioramento degli effetti ottici non lineari grazie al miglioramento dell'interazione luce-materia del microrisonatore, insieme ad altri vantaggi come le piccole dimensioni, grande scalabilità, e basso consumo energetico. Questi rendono i chip fotonici non lineari integrati una piattaforma importante per coprire la frequenza ottica in modo efficiente e realizzare altri effetti ottici non lineari.

Però, la conversione di frequenza coerente potenziata dalla risonanza su chip richiede più (tre o più) modalità di condizione di corrispondenza di fase tra lunghezze d'onda distinte, che impone sfide significative alla progettazione dei dispositivi, fabbricazione, e modulazione. Soprattutto nell'applicazione della spettroscopia atomica e molecolare, l'errore intrinseco portato dalla tecnica di nanofabbricazione di chip fotonici non lineari integrati rende la frequenza di risonanza del microrisonatore difficile da abbinare alla frequenza di transizione atomica.

I ricercatori in questo studio hanno proposto un nuovo schema per la conversione di frequenza coerente ad alta efficienza che richiede solo la condizione di adattamento di fase a due modalità tramite un processo di somma-frequenza degenere. Hanno ottenuto una sintonizzazione precisa della finestra di frequenza (FW):sintonizzazione grossolana regolando la temperatura del dispositivo con un intervallo di sintonizzazione di 100 GHz; sintonizzazione fine con livello MHz basata sul lavoro precedente di controllo termico completamente ottico in una microcavità integrata.

I risultati hanno mostrato che la migliore efficienza raggiunta era fino al 42% durante la conversione del numero di fotoni da una lunghezza d'onda di 1560 nm a 780 nm, che indica una larghezza di banda di sintonizzazione della frequenza superiore a 250 GHz. Ciò ha soddisfatto l'interconnessione dei fotoni delle telecomunicazioni e degli atomi di rubidio (Rb).

Oltretutto, i ricercatori hanno verificato sperimentalmente effetti ottici non lineari (2) e Kerr in cascata all'interno di un singolo microrisonatore per amplificare il segnale convertito, che prima era trascurato. Pertanto, la massima efficienza di conversione era potenzialmente in grado di raggiungere oltre il 100% attraverso la regolazione dei parametri di fabbricazione del dispositivo, soddisfacendo simultaneamente il segnale convertito e amplificato.

Questo studio fornisce un nuovo modo per un'efficiente conversione di frequenza su chip, che è estremamente importante per l'elaborazione delle informazioni quantistiche su chip.