西安光机所在集成微腔光学频率梳领域取得进展

近日，西安光机所超快光科学与技术全国重点实验室张文富研究员、中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室郭光灿院士团队陈巍研究员与国防科技大学智能科学学院杨俊教授三个团队合作，在集成微腔光学频率梳领域取得进展。团队基于微波注入、光频参考、热微扰频率调谐等技术，实现了两套独立泵浦的“全同”微腔孤子光学频率梳，基于此，实验验证了满足ITU频率间隔标准（50GHz）的50通道梳齿对之间的高可见度Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉，证明了利用经典波分复用光通信的复用思路实现大规模并行量子通信的可行性。

研究团队提出利用集成微腔双光频梳解决非经典光子干涉对独立产生的光子在频率、时空模式、偏振态等方面的严格匹配问题，突破传统原子跃迁频率参考激光器在波长数量和波长间隔等方面的限制。为实现上述设想，团队发展了集成微腔光频梳长时间稳定与频率对准技术，实现了50通道 的“全同”梳齿对（光子对）的产生。

在集成微腔光频梳长时间稳定方面，主要涉及泵浦光频和重复频率锁定。针对光频锁定，团队通过调制转移谱技术将泵浦激光频率锁定到铷原子跃迁频率上，实现泵浦激光频率稳定性2个数量级的提升（如图1（a）所示）；针对重复频率锁定，采用高阶边带微波注入锁定技术，使重复频率抖动从kHz量级降低到Hz量级（如图1（b）所示）。光频与重复频率全锁定确保了腔内光场的恒定，保证了集成微腔光频梳的长时间稳定运行，如图1（c）所示，该全锁定方案成功实现了耗散型光孤子在微腔中的持续稳定存在超过120小时（受限于实验时长），相比于自由运转的微腔光频梳，梳齿频率稳定性提升约3个数量级。

图1.集成微腔光频梳全锁定

在独立产生的双集成微腔光频梳频率对准方面，主要涉及在锁模的前提下实现频率的精细调谐。由于微纳加工过程中不可避免的材料和结构误差，导致不同微环谐振腔之间的自由光谱范围（FSR）和谐振频率存在微小差异，致使异地独立产生的微腔光频梳间梳齿频率存在频差并随模式阶数正比积累，严重影响双微腔光频梳间光子的全同性。因此，在全锁定微腔光频梳梳齿频率稳定的基础上，需要进一步通过物理手段实现孤子微梳的重复频率调节，进而实现异地不同微腔产生的独立微腔光频梳的频率对齐。实验中，通过声光移频的辅助光热平衡方案实现腔内热效应管理，扩展了孤子台阶长度超过一个数量级，达到3GHz（如图2（a）所示），有效保证了微扰下孤子锁模的稳定性；进而通过对泵浦功率、泵浦与辅助激光间的拍频和微腔温度三个物理量的微调控，实现超过100kHz频率范围的微腔光频梳重复频率的精细调谐，达到异地独立产生的两个微腔光频梳多梳齿之间的频率对准（如图2(b)所示）。

图2.两套集成微腔光频梳频率的精细调谐与梳齿对准

最后，基于两套独立产生的频率严格对准的全锁定集成微腔光频梳实现了50通道梳齿对之间的HOM干涉，平均干涉可见度超过46%（如图3（a）所示）证明了利用经典波分复用光通信的复用思路实现大规模并行量子通信的可行性（如图3（b）所示），为基于集成光学构建更高效、可扩展的量子通信系统奠定了技术基础。

图3.基于独立产生的微腔光频梳50通道HOM干涉

相关研究成果以“Massively parallel Hong-Ou-Mandel interference based on independent soliton microcombs”为题发表在Science Advances期刊，并被编辑推荐为本期精选（featured），如图A1所示。西安光机所博士研究生黄龙、副研究员王伟强和中国科学技术大学副研究员王纺翔为论文的共同第一作者，西安光机所博士研究生王阳、唐林涵参与了主要实验工作，张文富、陈巍和国防科技大学王国超为共同通讯作者，西安光机所赵卫研究员对工作进行了悉心指导。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和科技创新2030重大项目等支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq8982