解決光子量子行走問題的量子行走激光器！

原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）

由于相干光模仿量子粒子的干涉，同時(shí)受益于更簡單的光態(tài)制備和操縱，光子晶格為研究量子行走提供了一個(gè)自然的平臺(tái)。這一系列研究產(chǎn)生了諸如量子到經(jīng)典行走躍遷和相關(guān)光子的量子行走等現(xiàn)象，以及光子系統(tǒng)中玻色子相互作用的實(shí)驗(yàn)研究。

有鑒于此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院量子電子研究所Ina Heckelmann、Jér?me Faist等人提出并證明了一種在合成頻率空間中通過外部調(diào)制具有超快恢復(fù)時(shí)間的環(huán)形半導(dǎo)體激光器而形成的量子行走梳。初始彈道量子行走不會(huì)消散到合成晶格的低超模態(tài)；相反，狀態(tài)在寬頻梳中穩(wěn)定，釋放了合成頻率晶格的全部潛力。該器件可產(chǎn)生低噪聲、近乎平坦的寬帶梳（達(dá)到100帶寬每厘米），為產(chǎn)生寬帶、可調(diào)、穩(wěn)定的頻率梳提供了一個(gè)很有前途的平臺(tái)。

本文要點(diǎn)：

1）生成合成頻率晶格

作者從理論上和實(shí)驗(yàn)上證明了通過采用超快飽和增益可以釋放合成頻率晶格的全部潛力，這種增益的巨大三階非線性鎖定了諧振器模式并有效地抵消了色散。在所提出的量子行走梳中，所產(chǎn)生的低噪聲頻率梳的帶寬可以通過改變射頻（RF）注入來連續(xù)可調(diào)。考慮由活躍的、稍微變形的圓形腔的諧振器模式組成的合成晶格，使用在中紅外光譜區(qū)域發(fā)射的量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）實(shí)現(xiàn)。當(dāng)在腔諧振頻率引入額外的射頻調(diào)制時(shí)，會(huì)出現(xiàn)具有寬廣、高度可調(diào)諧和可預(yù)測帶寬的頻率梳。

圖1 合成光子晶格中量子行走的穩(wěn)定性

2）表征光譜輸出

為了研究量子行走梳，使用FTIR測量了器件的穩(wěn)態(tài)光譜，表明了高度離域光譜。為了從理論上研究梳狀結(jié)構(gòu)，對(duì)有源環(huán)QCL色散波導(dǎo)中的傳播場進(jìn)行了建模。通過這個(gè)模型計(jì)算了同轉(zhuǎn)參考系中電場的穩(wěn)態(tài)，通過僅調(diào)整一小部分參數(shù)，準(zhǔn)確地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)光譜，諧振注入下行走梳的帶寬達(dá)到了合成晶格的基本極限。此外，作者通過移波干涉傅里葉變換光譜證實(shí)了單獨(dú)激光機(jī)制的存在。頻率梳的穩(wěn)態(tài)測量證實(shí)了它的相干性、連續(xù)和可預(yù)測的調(diào)諧、寬帶寬以及與理論模型的良好一致性。

圖2 量子行走梳的穩(wěn)態(tài)

3）解決光子量子行走問題

為了研究量子行走動(dòng)力學(xué)在塑造穩(wěn)態(tài)光譜中的作用，作者進(jìn)行了測量和模擬來探索潛在的瞬態(tài)過程。實(shí)驗(yàn)和模型之間唯一明顯的區(qū)別是測量光譜中1287 cm?1處中心模式的實(shí)驗(yàn)衰減要慢得多，模擬光譜和實(shí)驗(yàn)光譜之間的顯著一致性為量子行走梳的快速擴(kuò)展和穩(wěn)定鎖定提供了令人信服的證據(jù)。

圖3 量子行走和鎖定

4）可調(diào)性和穩(wěn)定性

求解共振時(shí)的麥克斯韋-布洛赫方程，可以確定量子行走穩(wěn)定的狀態(tài)，從而導(dǎo)致的帶寬依賴性。為了證實(shí)這一預(yù)期，諧振功率掃描驗(yàn)證了預(yù)測的縮放行為，將高功率下與預(yù)期行為的偏差歸因于QCL有源區(qū)域調(diào)制動(dòng)態(tài)的非線性以及高階色散。在諧振注入下，頻率梳表現(xiàn)出與自由運(yùn)行的單模激光器相同水平的穩(wěn)定性，證明調(diào)制本身不會(huì)引入額外的噪聲貢獻(xiàn)，證明了頻率梳操作的卓越穩(wěn)定性。

圖4 射頻注入下的量子行走梳裝置

編輯：黃飛