光物理学：オンチップ電気光学的周波数シフターおよびビームスプリッター
Nature 599, 7886 doi: 10.1038/s41586-021-03999-x
効率的な周波数シフトとビーム分割は、原子物理学、マイクロ波フォトニクス、光通信、フォトニック量子コンピューティングを含む、幅広い応用に重要である。しかし、高効率かつ低損失で調整可能なギガヘルツスケールの周波数シフトを、特に小型でスケーラブルなデバイスを用いて実現することは、効率的で制御可能な非線形過程が必要なため困難である。音響光学、全光波動混合、電気光学に基づく既存の手法は、低い効率や低い周波数に制限されているか、デバイスが大型になるかのいずれかである。さらに、大半の手法は双方向性ではないため、周波数ビームスプリッターには適していない。今回我々は、シングルトーンの連続マイクロ波のみを用いて制御される、電気光学的周波数シフターを実証する。これは、ニオブ酸リチウム・ナノフォトニクスにおいて、超低損失導波路と共振器の光学モードの状態密度と、モード間の結合を操作することによって達成された。我々のデバイスは、2つの結合したリング共振器で構成されており、約90％のオンチップ変換効率で28 GHzという高い周波数シフトが得られた。重要なのは、このデバイスが、調整可能な周波数領域ビームスプリッターとして再構成できることである。我々は、デバイスの1つを用いて、2つの周波数チャネルの間でのノンブロッキングで効率的な情報交換も実証した。さらに我々は、29.8 GHzのシングルトーンの連続マイクロ波信号を用いて、119.2 GHzのシフトを可能にするカスケード型周波数シフト方式を提案・実証した。今回のデバイスは、将来の高速かつ大規模な古典情報処理装置のみならず、新たに登場している周波数領域フォトニック量子コンピューターの構成要素になる可能性がある。
