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（學研匯 技術中心）

由于相干光模仿量子粒子的干涉，同時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自然的平臺。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驗研究。

有鑒于此，蘇黎世聯(lián)邦理工學院量子電子研究所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制具有超快恢復時間的環(huán)形半導體激光器而形成的量子行走梳。初始彈道量子行走不會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（達到100帶寬每厘米），為產(chǎn)生寬帶、可調、穩(wěn)定的頻率梳提供了一個很有前途的平臺。

本文要點：

1）生成合成頻率晶格

作者從理論上和實驗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。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)射的量子級聯(lián)激光器（QCL）實現(xiàn)。當在腔諧振頻率引入額外的射頻調制時，會出現(xiàn)具有寬廣、高度可調諧和可預測帶寬的頻率梳。

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構，對有源環(huán)QCL色散波導中的傳播場進行了建模。通過這個模型計算了同轉參考系中電場的穩(wěn)態(tài)，通過僅調整一小部分參數(shù)，準確地再現(xiàn)了實驗光譜，諧振注入下行走梳的帶寬達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了單獨激光機制的存在。頻率梳的穩(wěn)態(tài)測量證實了它的相干性、連續(xù)和可預測的調諧、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力學在塑造穩(wěn)態(tài)光譜中的作用，作者進行了測量和模擬來探索潛在的瞬態(tài)過程。實驗和模型之間唯一明顯的區(qū)別是測量光譜中1287 cm?1處中心模式的實驗衰減要慢得多，模擬光譜和實驗光譜之間的顯著一致性為量子行走梳的快速擴展和穩(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）可調性和穩(wěn)定性

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