使用光 KERR 效應的絕熱頻率轉換。
研究
使用光 KERR 效應的絕熱頻率轉換。
展示低損耗和可控頻率轉換方法。
當您用手指彈吉他弦時,吉他會暫時發出某個音高的音符。如果您在音符仍在發聲時快速改變琴弦的張力,會發生什麼情況呢?您可以想像,吉他發出的音高會隨著張力的改變而改變。從物理學的角度來看,這可以用琴弦的自然頻率會隨著張力的變化而變化來解釋。
事實上,類似的現象也可以在微光諧振器中實現。如果含有光的微光諧振器的諧振頻率快速偏移,諧振器中光本身的頻率也會隨著諧振頻率的偏移而改變。這種現象稱為絕緣頻率轉換。到目前為止,絕緣波長轉換大多是透過載子的效應來移動光子晶體諧振器等諧振器的諧振頻率。然而,載子的使用有其問題:由於載子的擴散時間有限,因此難以進行時間控制,而且諧振器的損耗會隨著載子密度的增加而增加。在本研究中,利用稱為光 Kerr 效應的無損耗及瞬間反應技術,控制稱為矽晶微光諧振器的玻璃諧振器的諧振頻率,實現了低損耗及高度可控的絕熱頻率轉換。

圖 1 絕緣頻率轉換的概念圖。使用載波時,光頻率在控制操作後仍會轉換,但透過光 Kerr 效應,頻率可以回復。
圖 2 顯示實驗結果。如果不對共振頻率進行控制,光輸出應平滑衰減(灰色實線)。但如果控制諧振頻率 (圖中紅色區域),輸出只會在這段期間出現擺動 (藍色實線)。這是由於原始光線與諧振器中頻率已被移動的光線之間的干涉效應所造成的跳動,而跳動頻率與頻率轉換量相對應。在 (a) 中,頻率轉換會隨著用來控制共振頻率的光功率增加而增加,最高可達 140 MHz。在 (b) 中,利用光 Kerr 效應的快速反應來達成兩次轉換。多重絕對頻率轉換的觀測是前所未有的。

圖 2 絕熱頻率轉換的實驗結果。(a) 功率依賴性。(b) 多重操作。下圖顯示根據理論估計的頻率轉換時間變化。
如圖 3(b) 所示,光 Kerr 效應的快速反應也允許研究原始光與轉換光之間的相位差對輸出波形的影響。此結果與理論相符。此結果與理論相符。

圖 3 分析相位差對下列各項的影響。(a) 相位差的功率依賴性。(b) 與實驗結果的比較。當相位差接近原始值 (π) 時 (下圖),轉換操作後的波形與原始波形相符。另一方面,如果相位差遠離原始值 (上圖),則波形不會回到原始波形。
絕熱頻率轉換的優點在於頻率可以平順轉換,原則上效率可達 100%。結合這項研究的低損耗特性,可望在量子資訊處理等領域找到應用。這項研究也加深了我們對絕熱頻率轉換的了解。
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