中国科大在腔光力系统中实现多种非线性效应调控的频率梳

中国科大郭光灿院士团队在腔光力系统研究方面取得新进展。该团队的董春华教授研究组通过光子与声子相互作用，在腔光力系统中实现了多种非线性效应调控的频率梳。该研究成果于2024年4月19日发表在国际学术期刊《Physics Review Letters》。

频率梳，即频率域上具有均匀间隔的相干谱图，在频率度量学、原子钟、光学测距与光通讯、天文光谱校准、低噪声微波源、量子纠缠态等领域中展现出了广阔的应用前景。然而，具备高梳齿密度的微腔克尔频率梳尺寸通常在毫米量级，如何实现具有更小尺寸、更小重量和更低功耗的可集成低重复频率光频梳仍有待研究。

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图1.（a-b）光力晶体微腔以及腔内的光学模式和机械模式；（c）微腔内光力频率梳产生的原理示意图。

针对这一科学问题，研究团队基于硅光声晶体，利用光力相互作用等多种非线性效应，如图1所示，为产生和调控频率梳提供了一个可选的解决方案。腔光力学频率梳的重复频率依赖于机械振动频率，可以在超小尺寸（约600 nm * 15 um）的器件中实现低重复频率，如图2所示。为了提高频梳宽度与梳齿密度，不同频率的声子激光需要在系统中被同时激发。为此，研究团队制备了高品质的光力晶体微腔，提出并实现了无外部调制的多模声子激光，为腔光力系统中光力频率梳的研究奠定了基础。此外，研究团队将自脉冲引入到系统中，演示了自脉冲与弯曲机械模式相互作用下的一系列动态演化，如分数锁频、声子激光状态切换、以及自脉冲充当模间准弗洛凯调制的准三模声子激光状态。

研究团队通过上述研究，展示了具有超过260根梳齿、重复频率低至30MHz的频率梳。并且，该频率梳可以通过自脉冲效应调控到不同的工作状态，如图2所示。该工作证明了在腔光力学频率梳的产生和调控中利用多种非线性效应的有效性，为传感、定时和计量等应用提供了一种新型的腔光力学频率梳。

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图2.三种典型的光力频率梳。(a-c)分别为三种频率梳状态的功率谱；(d-f)分别对应（a-c）中频率梳在5.3 GHz附近的功率谱线，展示重复频率分别为90.17 MHz、90.17/3MHz、 以及77.19/2 MHz。(g-i)分别为对应的时域振荡信号。

汪昱、张劢为该论文的共同第一作者，沈镇、董春华为该论文的通讯作者。上述研究得到了科技部重点研发计划、中国科学院、国家自然科学基金委、量子信息与量子科技前沿协同创新中心等单位的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.163603