南开科研成果入选美国光学学会2022年度光学进展

近日，美国光学学会（Optica, 原OSA）会刊Optics & Photonics News在2022年度光学进展（Optics in 2022）中报道了南开大学吴强教授、陈志刚教授和许京军教授科研团队关于片上太赫兹频率转换和调控的一系列研究成果（如论文链接1）。连续40年来，美国光学学会每年都会邀请学术界及工业界专家评审出过去一年来在全球范围公开发表的光学领域内的30项突破性进展，发表在OPN杂志的12月刊上。本次入选的“芯片级太赫兹频率转换和调制”系列工作分别发表于Nature Communications（2021年5月）、Light: Science & Applications (2022年5月)以及Laser & Photonics Reviews（2021年5月）等国际著名学术期刊。

基于高速数据传输的太赫兹片上通信，可以实现未来的人工智能和云技术。而实现这些目标的一个关键性挑战是在紧凑的集成光子平台上实现太赫兹波的产生、传输、调控和检测。近年来，南开大学团队发展了一种基于铌酸锂芯片的太赫兹集成平台。本次报道主要介绍其中的部分技术，包括片上的频率转换和调谐技术，该技术可以实现非常高效的非线性太赫兹频率转换（如论文链接2）、“冻结相位”太赫兹波的奇特相位匹配传输（如论文链接3）以及太赫兹波的动态拓扑调控（如论文链接4）。这些工作为太赫兹计算、成像和指纹检测等应用提供了多功能、稳定和高度集成的多功能太赫兹光子集成平台。

几十年来，研究人员一直在通过提高输入功率来寻求太赫兹频率下的高效非线性效应。然而，尽管铌酸锂晶体在可见光或近红外波段有极其出色的非线性特性，但芯片级非线性晶体的太赫兹波非线性频率转换效率仍然很低。为了有效增强太赫兹波非线性，该团队提出了非线性黄昆方程，以突出声子极化激元在增强太赫兹非线性效应中的独特作用。由于太赫兹波可以与大多数离子晶体中的光学声子共振，它们可以通过在晶体中激发所产生受激声子极化激元，从而直接将非线性极化场与离子极性联系起来。实验上，他们利用声子极化激元在铌酸锂芯片中实现了巨大的太赫兹非线性频率转换。太赫兹差频产生的非线性极化率达到 10-6 m/V 左右，比之前的报道结果高出约五个数量级。

另外，研究团队的最新研究成果还表明，利用受激声子极化激元还可以实现一种超越传统波恩——奥本海默（Born-Oppenheimer）近似的光与物质相互作用。该作用不仅可以实现太赫兹波段的非线性和吸收调控，还可以实现其它光波段的非线性极大增强，并且有望发展成为一种能应用于多波段（从太赫兹到红外、可见）的非线性调控机制和方法（如论文链接5）。

此外，研究团队还在铌酸锂芯片上设计了一个楔形一维拓扑结构阵列（Su-Schrieffer-Heeger晶格）。在飞秒激光的激发下，实现太赫兹波在拓扑局域，体模式扩散和非拓扑局域间的连续调控。这种太赫兹波的拓扑控制可能为实现太赫兹集成带来新的可能性，有望用于高级拓扑驱动的光子应用。

这一系列成果为多功能集成芯片级设备中的太赫兹波产生、局域和探测开辟了一条途径，对于未来具有特征太赫兹指纹光谱的各种系统都有潜在的价值。利用受激声子极化激元实现的巨非线性效应有望应用于半导体中自旋量子比特的光学控制以及各种离子和铁电/铁磁晶体等特性的调控。

相关论文链接：

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