片上电光移频器和分束器

哈佛大学，加州理工大学的研究人员研制了一种片上电光移频器，具有高达 ~90% 的转换效率、高载流子抑制比和低片上损耗的。该设计采用单个单调连续微波源即可完成，且仅作用于选定的频率，不影响其他频率。相关研究发表在《Nature》上。

图1，在顶部器件中，两个耦合谐振器形成8字形结构。 输入光从波导穿过谐振器，以一种颜色进入，以另一种颜色出现。 底部器件使用三个耦合谐振器：一个小环形谐振器、一个称为跑道谐振器的长椭圆形谐振器和一个矩形谐振器。 当光速在赛道谐振器周围时，它会级联成越来越高的频率，导致高达120 GHz的偏移。

千兆赫范围内的片上移频器可用于下一代量子计算机和网络。精确控制和改变光子属性（包括极化、空间位置和到达时间）的能力催生了我们今天使用的各种通信技术，包括互联网。 最难改变的特性之一是光子的颜色，也称为频率，因为改变光子的频率意味着改变它的能量。 有效的频移和分束对于包括原子物理学、微波光子学、光通信和光子量子计算等广泛的应用非常重要。 然而，因为需要高效且可控的非线性过程，实现具有高效率、低损耗和可调性的千兆赫级频移，尤其是使用微型和可扩展的设备具有挑战性。基于声光、全光波混频和电光效应的现有方法要么限于低效率或频率，要么体积庞大。此外，大多数方法不是双向的，这使得它们不适合频率分束器。

为了解决这些问题，研究人员研制了一种仅使用连续和单频微波控制的电光移频器。该设计通过在铌酸锂纳米光子学中设计超低损耗波导和谐振器中的光学模式的状态密度和耦合来实现。

微波控制器件由两个耦合环形谐振器组成，可提供高达 28 GHz 的频移，片上 转换效率约为 90 % 。此外，该设备还可以重新配置为可调频域分束器。位移光功率与泵浦频率的光功率之间具有可调比，该比由施加的微波功率控制。在完全转换的状态下，所有插入的光子的频率都转移到另一个频率。实验结果表明使用其中一个设备可以在两个频道之间进行无阻塞和有效的信息交换。级联频移方案表明，该方案允许使用 29.8 GHz 的连续单音微波信号进行 119.2 GHz 的频移。

该项研究成果（频移和光束分裂）代表了控制光子频率自由度所需的基本功能，未来可以作为高速和大规模经典信息处理器以及新兴频域光子量子计算机的构建块，具有重要的研究意义。

该论文的资深作者、电气工程林天采教授 Marko Lon?ar 说：“我们的移频器可以成为高速、大规模经典通信系统以及新兴光子量子计算机的基本构建块，” 他表明：“我们之前在集成铌酸锂光子学方面的所有发展使这项工作成为可能。” “以高效、紧凑和可扩展的方式处理频域信息的能力有可能显着降低大规模光子电路的费用和资源需求，包括量子计算、电信、雷达、光信号处理和光谱学。”