圖1.集成微腔光頻梳全鎖定

近日，西安光機所超快光科學與技術全國重點實驗室張文富研究員、中國科學技術大學中國科學院量子信息重點實驗室郭光燦院士團隊陳巍研究員與國防科技大學智能科學學院楊俊教授三個團隊合作，在集成微腔光學頻率梳領域取得進展。團隊基于微波注入、光頻參考、熱微擾頻率調諧等技術，實現了兩套獨立泵浦的“全同”微腔孤子光學頻率梳，基于此，實驗驗證了滿足ITU頻率間隔標準(50GHz)的50通道梳齒對之間的高可見度Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉，證明了利用經典波分復用光通信的復用思路實現大規模并行量子通信的可行性。

研究團隊提出利用集成微腔雙光頻梳解決非經典光子干涉對獨立產生的光子在頻率、時空模式、偏振態等方面的嚴格匹配問題，突破傳統原子躍遷頻率參考激光器在波長數量和波長間隔等方面的限制。為實現上述設想，團隊發展了集成微腔光頻梳長時間穩定與頻率對準技術，實現了50通道 的“全同”梳齒對(光子對)的產生。

在集成微腔光頻梳長時間穩定方面，主要涉及泵浦光頻和重復頻率鎖定。針對光頻鎖定，團隊通過調制轉移譜技術將泵浦激光頻率鎖定到銣原子躍遷頻率上，實現泵浦激光頻率穩定性2個數量級的提升(如圖1(a)所示);針對重復頻率鎖定，采用高階邊帶微波注入鎖定技術，使重復頻率抖動從kHz量級降低到Hz量級(如圖1(b)所示)。光頻與重復頻率全鎖定確保了腔內光場的恒定，保證了集成微腔光頻梳的長時間穩定運行，如圖1(c)所示，該全鎖定方案成功實現了耗散型光孤子在微腔中的持續穩定存在超過120小時(受限于實驗時長)，相比于自由運轉的微腔光頻梳，梳齒頻率穩定性提升約3個數量級。

在獨立產生的雙集成微腔光頻梳頻率對準方面，主要涉及在鎖模的前提下實現頻率的精細調諧。由于微納加工過程中不可避免的材料和結構誤差，導致不同微環諧振腔之間的自由光譜范圍(FSR)和諧振頻率存在微小差異，致使異地獨立產生的微腔光頻梳間梳齒頻率存在頻差并隨模式階數正比積累，嚴重影響雙微腔光頻梳間光子的全同性。因此，在全鎖定微腔光頻梳梳齒頻率穩定的基礎上，需要進一步通過物理手段實現孤子微梳的重復頻率調節，進而實現異地不同微腔產生的獨立微腔光頻梳的頻率對齊。實驗中，通過聲光移頻的輔助光熱平衡方案實現腔內熱效應管理，擴展了孤子臺階長度超過一個數量級，達到3GHz(如圖2(a)所示)，有效保證了微擾下孤子鎖模的穩定性;進而通過對泵浦功率、泵浦與輔助激光間的拍頻和微腔溫度三個物理量的微調控，實現超過100kHz頻率范圍的微腔光頻梳重復頻率的精細調諧，達到異地獨立產生的兩個微腔光頻梳多梳齒之間的頻率對準(如圖2(b)所示)。

圖2.兩套集成微腔光頻梳頻率的精細調諧與梳齒對準

最后，基于兩套獨立產生的頻率嚴格對準的全鎖定集成微腔光頻梳實現了50通道梳齒對之間的HOM干涉，平均干涉可見度超過46%(如圖3(a)所示)證明了利用經典波分復用光通信的復用思路實現大規模并行量子通信的可行性(如圖3(b)所示)，為基于集成光學構建更高效、可擴展的量子通信系統奠定了技術基礎。

圖3.基于獨立產生的微腔光頻梳50通道HOM干涉

相關研究成果以“Massively parallel Hong-Ou-Mandel interference based on independent soliton microcombs”為題發表在Science Advances期刊，并被編輯推薦為本期精選(featured)，如圖A1所示。西安光機所博士研究生黃龍、副研究員王偉強和中國科學技術大學副研究員王紡翔為論文的共同第一作者，西安光機所博士研究生王陽、唐林涵參與了主要實驗工作，張文富、陳巍和國防科技大學王國超為共同通訊作者，西安光機所趙衛研究員對工作進行了悉心指導。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和科技創新2030重大項目等支持。

審核編輯 黃宇