撰稿 | 唐江山
近日，澳大利亚国立大学，物理研究院非线性物理中心Andrey A. Sukhorukov团队，首次提出并在实验上实现了全光学合成维度，该合成维度利用在专门设计的非线性波导中，通过频率转换调制的离散光谱线之间的长短程相互作用实现。
该研究为高维物理学的基础研究提供了一种新的手段，并且在将拓扑效应应用于时域和频域工作的光学设备领域迈出重要一步。
该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Multidimensional synthetic chiral-tube lattices via nonlinear frequency conversion”。
离散光子晶格构成了拓扑光子学的通用平台。其实现的方式主要包括倏逝地耦合波导阵列、使用超材料和耦合谐振器等。在这些系统中，最常被考虑的拓扑特征来源于与波矢空间相关的色散，这里面拓扑不变量的自由度受几何维度的限制。因此，如何获得更高的几何维度是使拓扑效应表现大幅提升的关键。这极大推动了合成维度领域的发展，许多人工创建额外维度的方案被提出并在实验上得到实现。
光的时间和光谱行为在从通信到材料光谱学的许多研究领域和应用中起着重要的作用。但是在时域中出现了许多限制光子系统性能的缺陷，如群速度色散。因此，在与常见应用兼容的时域或光谱系统中实现拓扑效应对鲁棒操作非常重要，例如由互补金属氧化半导体兼容的自由光谱范围(FSR)在GHz范围内的集成谐振器产生的频率梳。
迄今为止，基于电光调制（EOM）的光谱耦合控制已经得到了初步的研究和实现。然而，这种方法从根本上限制了耦合模式之间的频率分离。相比之下，基于参数非线性和光子声子相互作用的全光方法似乎是一种很有前途的解决方案，可以将多维拓扑光子学引入需要超高速时间调制和相应的大波动抑制比的设备中。最近，该研究团队报道了在一个空间模式(端口)内的光谱间距高达100 GHz的参数非线性介导的全光学系统中实现合成长程耦合[Optica 4, 1433-1436 (2017)]。然而，在全光学平台上实现多维合成晶格的可能性仍有待探索。
在本工作中，研究人员首次从理论上建立并实验上证明全光谱晶格可以结合非平凡规范场合成多维手性晶格（图一）。这种合成维度是基于在离散频率成分间同时进行的特别设计的长短程耦合，这种耦合通过光的非线性调制并且直接可以通过泵浦脉冲的形状来控制(图一 b)。
图一：在非线性纤维中构造多维合成格的概念示意图 a：一种具有三阶非线性的波导，其中泵浦脉冲形状调制信号频率间的保守相互作用，导致输出信号谱的重塑。b：在一个和两个单位频率间隔之间引起串扰的泵浦剖面的例子。c：利用非线性相互作用驱动的一阶和二阶耦合对应的光谱晶格，其中相互作用利用b中所示泵浦脉冲谱形状调制。d：使用c中光谱晶格构造的合成二维方形晶格。e：用手性周期边界条件将晶格包裹在d中形成手性管晶格
利用三阶耦合，研究人员给出了三维三角形手性管晶格的构造（图二），并且把它们推广到了四维情况（图三）。
图二：a：有三个耦合顺序1,3和4的格点，其中只有与所示位置的耦合用箭头标出。b：二维空间中对应的合成三角晶格。c：b中晶格的三维示意图
研究团队同时还发展了一种与有效非零磁通相关的非平凡人工规范场的泵浦结构，并通过实验展示了它们对三角形手性管晶格中的量子行走的影响（图四）。
这种全光实现可以达到了数百GHz的工作带宽，这超过了之前考虑的复杂EOM方案的能力，同时提供了更大的简单性。高带宽确保了集成谐振器的FSR能够直接匹配，这有助于该工作中提出的合成多维晶格的多种应用。此外，对离散频率线进行多维相干重塑的能力可以实现对量子频率梳的非传统和非互易操作，从而提高光子量子通信和信息处理的能力。
该研究成果以“Multidimensional synthetic chiral-tube lattices via nonlinear frequency conversion”为题在线发表在Light: Science & Applications。
https://www.nature.com/articles/s41377-020-0299-7
☞ 本文来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除）。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
