【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學郭光燦院士團隊在片上光學模擬領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、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，提出將模擬的格點限制在一個腔模內的新方法并進行了實驗驗證，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日發表在國際知名期刊《物理評論快報》上。
以光為載體的頻率合成維度是近年來興起的一種模擬手段，用于研究不易直接接觸或觀測的物理系統，對驗證理論乃至預測物理現象具有重要意義。在許多工作中，研究者用含電光調制器的光纖環腔實現頻率合成維度，其中以間隔為自由光譜范圍(FSR)的模式作為格點，用電光相位調制引入格點之間的相互作用，其調制頻率通常為FSR的整數倍。同時，薄膜鈮酸鋰芯片有高電光系數的天然條件，以及高穩定性和強可擴展性的優勢，非常適合作為頻率合成維度的平臺。然而，光芯片上的腔長短，FSR大，導致以前的方法所需的調制頻率很高(10GHz或更高)，對片上的調制效率以及配套的設備都提出非常高的要求。特別是存在長程耦合時，所需的頻率將進一步翻倍，極大地阻礙了片上頻率合成維度的發展。
在本工作中，研究組為了緩解這一困難，提出可以通過使用遠小于一個腔模寬度的調制頻率(MHz量級)，去選出一系列限制在腔模之內的頻率作為格點形成合成維度。在合理的近似下，研究組實驗驗證了這種方法與傳統的實現方法得到的準動量空間的能帶完全吻合。實驗結果表明，在存在8倍和9倍于頻率晶格常數的長程耦合時，該方法將實驗的頻率要求降低了5個數量級以上。
實驗示意圖及能帶結果圖。上方表示準動量空間能帶測量實驗示意圖；插圖表示模擬中鏈狀結構的格點分布，所有的格點都被限制在一個共振峰內；下方左圖表示包含長程耦合的管狀結構示意圖；右圖表示實驗測得的包含兩種耦合長度的模型的能帶圖，其中r為兩種耦合的長度比，?表示光學規范勢。
本工作在極大地緩解高頻對片上合成維度帶來的困難的同時，也保持了傳統實現方法的拓展性，能夠推廣應用至更高維的模型中，在薄膜鈮酸鋰光芯片上實現高維和復雜的頻率合成維度。審稿人高度評價該成果“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)”。
中國科學院量子信息重點實驗室博士生汪兆安、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家實驗室、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省和中國博士后基金的資助。
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