Uma equipe liderada pelo Prof. GUO Guangcan e Prof. ZOU Changling da Universidade de Ciência e Tecnologia da China da Academia Chinesa de Ciências realizou conversão de frequência eficiente em microrressonadores por meio de um processo degenerado de soma-frequência, e alcançou conversão de frequência de banda cruzada e amplificação do sinal convertido através da observação dos efeitos ópticos não lineares em cascata dentro do microrressonador. O estudo foi publicado em Cartas de revisão física .

O processo de conversão de frequência coerente tem ampla aplicação em campos de informação clássica e quântica, como comunicação, detecção, de detecção, e imagem. Como uma ponte que conecta as bandas de onda entre as telecomunicações de fibra e a transição atômica, a conversão de frequência coerente é uma interface necessária para computação quântica distribuída e redes quânticas.

O chip fotônico não linear integrado se destaca por causa de seus avanços tecnológicos significativos de melhorar os efeitos ópticos não lineares por microrressonador, aumentando a interação luz-matéria, junto com outras vantagens, como tamanho pequeno, grande escalabilidade, e baixo consumo de energia. Isso torna os chips fotônicos não lineares integrados uma plataforma importante para converter a frequência óptica com eficiência e realizar outros efeitos ópticos não lineares.

Contudo, a conversão de frequência coerente ressonante aprimorada no chip requer vários (três ou mais) modos de condição de combinação de fase entre comprimentos de onda distintos, que impõe desafios significativos ao design dos dispositivos, fabricação, e modulação. Especialmente na aplicação de espectroscopia atômica e molecular, o erro intrínseco trazido pela técnica de nanofabricação de chips fotônicos não lineares integrados torna a frequência ressonante do microrressonador difícil de corresponder à frequência de transição atômica.

Os pesquisadores neste estudo propuseram um novo esquema para conversão de frequência coerente de alta eficiência exigindo apenas a condição de casamento de fase de dois modos por meio de um processo degenerado de soma de frequência. Eles alcançaram a sintonia precisa da janela de frequência (FW):sintonia grosseira ajustando a temperatura do dispositivo com uma faixa de sintonia de 100 GHz; ajuste fino com o nível de MHz baseado em trabalho anterior de controle térmico totalmente óptico em uma microcavidade integrada.

Os resultados mostraram que a melhor eficiência alcançada foi de até 42% durante a conversão do número de fótons de comprimento de onda de 1560 nm para 780 nm, indicando uma largura de banda de sintonia de frequência acima de 250GHz. Isso satisfez a interconexão de fótons de telecomunicações e átomos de rubídio (Rb).

Além do mais, os pesquisadores verificaram experimentalmente o χ (2) em cascata e os efeitos ópticos não lineares de Kerr dentro de um único microrressonador para amplificar o sinal convertido, que foi negligenciado antes. Assim, a maior eficiência de conversão tinha o potencial de atingir mais de 100% por meio do ajuste dos parâmetros de fabricação do dispositivo, cumprindo simultaneamente sinal convertido e amplificado.

Este estudo fornece uma nova maneira de conversão de frequência eficiente no chip, o que é extremamente importante para o processamento de informações quânticas no chip.