南開科研成果入選美國光學學會2022年度光學進展

近日，美國光學學會（Optica, 原OSA）會刊Optics & Photonics News在2022年度光學進展（Optics in 2022）中報道了南開大學吳強教授、陳志剛教授和許京軍教授科研團隊關于片上太赫茲頻率轉換和調控的一系列研究成果（如論文鏈接1）。連續40年來，美國光學學會每年都會邀請學術界及工業界專家評審出過去一年來在全球范圍公開發表的光學領域內的30項突破性進展，發表在OPN雜志的12月刊上。本次入選的“芯片級太赫茲頻率轉換和調制”系列工作分別發表于Nature Communications（2021年5月）、Light: Science & Applications (2022年5月)以及Laser & Photonics Reviews（2021年5月）等國際著名學術期刊。

基于高速數據傳輸的太赫茲片上通信，可以實現未來的人工智能和云技術。而實現這些目標的一個關鍵性挑戰是在緊湊的集成光子平臺上實現太赫茲波的產生、傳輸、調控和檢測。近年來，南開大學團隊發展了一種基于鈮酸鋰芯片的太赫茲集成平臺。本次報道主要介紹其中的部分技術，包括片上的頻率轉換和調諧技術，該技術可以實現非常高效的非線性太赫茲頻率轉換（如論文鏈接2）、“凍結相位”太赫茲波的奇特相位匹配傳輸（如論文鏈接3）以及太赫茲波的動態拓撲調控（如論文鏈接4）。這些工作為太赫茲計算、成像和指紋檢測等應用提供了多功能、穩定和高度集成的多功能太赫茲光子集成平臺。

幾十年來，研究人員一直在通過提高輸入功率來尋求太赫茲頻率下的高效非線性效應。然而，盡管鈮酸鋰晶體在可見光或近紅外波段有極其出色的非線性特性，但芯片級非線性晶體的太赫茲波非線性頻率轉換效率仍然很低。為了有效增強太赫茲波非線性，該團隊提出了非線性黃昆方程，以突出聲子極化激元在增強太赫茲非線性效應中的獨特作用。由于太赫茲波可以與大多數離子晶體中的光學聲子共振，它們可以通過在晶體中激發所產生受激聲子極化激元，從而直接將非線性極化場與離子極性聯系起來。實驗上，他們利用聲子極化激元在鈮酸鋰芯片中實現了巨大的太赫茲非線性頻率轉換。太赫茲差頻產生的非線性極化率達到 10-6 m/V 左右，比之前的報道結果高出約五個數量級。

另外，研究團隊的最新研究成果還表明，利用受激聲子極化激元還可以實現一種超越傳統波恩——奧本海默（Born-Oppenheimer）近似的光與物質相互作用。該作用不僅可以實現太赫茲波段的非線性和吸收調控，還可以實現其它光波段的非線性極大增強，并且有望發展成為一種能應用于多波段（從太赫茲到紅外、可見）的非線性調控機制和方法（如論文鏈接5）。

此外，研究團隊還在鈮酸鋰芯片上設計了一個楔形一維拓撲結構陣列（Su-Schrieffer-Heeger晶格）。在飛秒激光的激發下，實現太赫茲波在拓撲局域，體模式擴散和非拓撲局域間的連續調控。這種太赫茲波的拓撲控制可能為實現太赫茲集成帶來新的可能性，有望用于高級拓撲驅動的光子應用。

這一系列成果為多功能集成芯片級設備中的太赫茲波產生、局域和探測開辟了一條途徑，對于未來具有特征太赫茲指紋光譜的各種系統都有潛在的價值。利用受激聲子極化激元實現的巨非線性效應有望應用于半導體中自旋量子比特的光學控制以及各種離子和鐵電/鐵磁晶體等特性的調控。

相關論文鏈接：

Y.Lu,et al,OPN:Optics in 2022:37(2022). 

https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_33/december_2022/extras/chip-scale_thz_frequency_conversion_and_tuning/ 

Y.Lu,et al,Nat.Commun.12:3183(2021).

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23526-w 

Y.Lu,et al,Laser Photon.Rev.15:2000591(2021).

https://doi.org/10.1002/lpor.202000591 

J.Wang,et al,Light Sci.Appl.11:152(2022).

http://dx.doi.org/10.1038/s41377-022-00823-7

Y.Lu,et al,Commun.Phys.5:299(2022).

https://doi.org/10.1038/s42005-022-01080-1