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布洛赫振荡（Bloch Oscillations, BOs）是固体晶格中的电子在外加电场作用下呈现出的周期运动现象，作为固体量子理论预测的重要结果长期以来都受到极大关注。由于晶格缺陷和电子弛豫时间过短，很难在固体晶体中观测到完整周期的布洛赫振荡，直至上世纪末人们才在人工超晶格结构中观测到这种现象。近年来，离散光波导阵列等光学系统中的布洛赫振荡也逐渐引起人们的研究兴趣。在波导或环型共振器中引入动态调制构建合成频率晶格，通过相位调制产生等效光子规范势和等效电场，可产生频域的布洛赫振荡，对应光波频谱的周期性演化过程。由于光波频谱变化很快，利用普通光谱仪无法对此进行直接实时观测，一般是通过改变初始入射条件而间接获得频率的演化，这样就无法判定频率演化过程中是否出现朗道隧穿或定向输运等副效应。
实验装置示意图
在该研究中，王兵教授课题组利用动态调制的光纤环在实验上实时观测到了频率布洛赫振荡现象。通过将相位调制接入光纤环路，对环路内脉冲频率进行调制，使等间隔频率模式之间相互耦合，以此构造频率光子晶格。光纤环路内每一圈的光程与调制信号周期之间存在时间失谐量，调制信号的相位在入射脉冲每次经过调制器时均会发生改变，此时，失谐量便起到了等效电场力的作用，使光子频率随循环圈数发生周期性变化，该现象即为频率布洛赫振荡。利用色散傅里叶变换（dispersive Fourier transformation, DFT）技术则可对输入脉冲的频率进行实时测量。
研究人员选取不同谱宽的脉冲作为入射光以记录频率振荡过程。当脉冲频谱较宽时，可认为入射的频率模式具有某一特定的布洛赫波矢，在等效电场力作用下，频谱波包的中心将随着循环圈数沿余弦轨迹进行周期运动。若脉冲频谱包络较窄，可以视为单频入射，频谱则可看作是由许多布洛赫模式叠加而成，等效电场力引起各个模式发生周期相同的布洛赫振荡，导致脉冲频谱演化表现为呼吸状。每经过一个振荡周期，所有频率模式均会回到初始状态，从而实现频率“自成像”。
宽波包频谱和窄波包频谱对应的布洛赫振荡实验结果和数值模拟图
这一工作在光纤环路和相位调制的基础上，实现了周期和振幅可调的光学频率布洛赫振荡，为合成维度光子拓扑调控提供了新的平台，在光信息处理、频率转换等领域具有潜在的应用价值。
以上研究工作得到国家自然科学基金面上和创新群体项目的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00494-w
