一種新的光力系統(tǒng)全光同步的物理解釋

中國科學技術大學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的光輻射壓力引起的機械振蕩加載到泵浦光上，經過5km長的單模光纖傳輸后激發(fā)另一微腔內的機械振蕩，通過光學模式和機械模式的有效調控從而實現(xiàn)了兩個光力系統(tǒng)的全光遠程同步。相關研究成果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絡的應用。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和光彈效應，研究團隊實現(xiàn)了最大達5.5nm的光學頻移以及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動二氧化硅微球腔，產生的調制光通過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，為構建復雜的同步光力系統(tǒng)網絡奠定基礎，有希在光通信和時鐘同步等領域得到應用。

(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。

相關鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.063605

審核編輯 ：李倩