一種新的光力系統(tǒng)全光同步的物理解釋

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在光力系統(tǒng)的全光遠程同步研究中取得重要進展。該團隊董春華教授及其合作者鄒長鈴等將微腔內(nèi)的光輻射壓力引起的機械振蕩加載到泵浦光上，經(jīng)過5km長的單模光纖傳輸后激發(fā)另一微腔內(nèi)的機械振蕩，通過光學(xué)模式和機械模式的有效調(diào)控從而實現(xiàn)了兩個光力系統(tǒng)的全光遠程同步。相關(guān)研究成果8月5日發(fā)表在Physical Review Letters上，選為“PRL Editors' Suggestion”

迄今為止，振蕩器之間的全光同步距離僅限制在微米量級，這大大限制了同步網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。盡管光力系統(tǒng)將機械振蕩器與光子連接起來具有天然優(yōu)勢，但遠程光力系統(tǒng)的全光同步實驗實現(xiàn)仍然具有挑戰(zhàn)性。首先，由于光學(xué)模式和機械模式在微腔制備過程和操控中不可避免的漲落，在不同的微腔系統(tǒng)中很難同時實現(xiàn)完全相同的光學(xué)和機械模式；其次，在傳輸過程中，機械振蕩的振幅會衰減，必然會產(chǎn)生光損耗，從而限制了同步的距離。

研究團隊提出了一種新的光力系統(tǒng)全光同步的物理解釋，將注入鎖定機制與同步機制結(jié)合起來，實現(xiàn)了全光遠程同步。首先，基于微腔中的熱光效應(yīng)和光彈效應(yīng)，研究團隊實現(xiàn)了最大達5.5nm的光學(xué)頻移以及0.42MHz的機械頻移，克服了在不同的光力系統(tǒng)中光學(xué)和機械模式同時對準的困難。然后，該團隊利用一束相干激光驅(qū)動二氧化硅微球腔，產(chǎn)生的調(diào)制光通過5 km長的光纖傳輸?shù)轿⒈P腔。在合適地激光頻率下，邊帶誘導(dǎo)的光力相互作用成功抑制真空噪聲，輸出功率譜降到單峰，實現(xiàn)兩個機械振子的同步。為了進一步證實該實驗結(jié)果，研究團隊利用1625 nm左右的探針激光對微盤的機械振動進行檢測，進一步確認了實驗結(jié)果。通過對兩個振蕩器的輸出功率譜和相空間軌跡表征，兩個微腔可以以固定的相位關(guān)系和相同的頻率振動，展示了對不同波段光信息進行同步的能力。本實驗所展示的遠距離全光同步技術(shù)，為構(gòu)建復(fù)雜的同步光力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)，有希在光通信和時鐘同步等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

(a)不同光力體系全光同步的示意圖；（b）微球和微盤通過5km的單模光纖實現(xiàn)同步的動力學(xué)過程；兩個機械振子同步前（c）和同步后（d）的相位圖。 中國科大博士研究生李錦、周中昊、博士后萬帥為論文共同第一作者，董春華、李明為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中科院、國家自然科學(xué)基金委員會、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.063605

審核編輯 ：李倩