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On-chip electro-optic frequency shifters and beam splitters

分束器 光电子学 微波食品加热 铌酸锂 谐振器 光子学 材料科学 光学 物理 计算机科学 电信 激光器
作者
Yaowen Hu,Mengjie Yu,Di Zhu,Neil Sinclair,Amirhassan Shams‐Ansari,Linbo Shao,Jeffrey Holzgrafe,Eric Puma,Mian Zhang,Marko Lončar
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:599 (7886): 587-593 被引量:136
标识
DOI:10.1038/s41586-021-03999-x
摘要

Efficient frequency shifting and beam splitting are important for a wide range of applications, including atomic physics1,2, microwave photonics3–6, optical communication7,8 and photonic quantum computing9–14. However, realizing gigahertz-scale frequency shifts with high efficiency, low loss and tunability—in particular using a miniature and scalable device—is challenging because it requires efficient and controllable nonlinear processes. Existing approaches based on acousto-optics6,15–17, all-optical wave mixing10,13,18–22 and electro-optics23–27 are either limited to low efficiencies or frequencies, or are bulky. Furthermore, most approaches are not bi-directional, which renders them unsuitable for frequency beam splitters. Here we demonstrate electro-optic frequency shifters that are controlled using only continuous and single-tone microwaves. This is accomplished by engineering the density of states of, and coupling between, optical modes in ultralow-loss waveguides and resonators in lithium niobate nanophotonics28. Our devices, consisting of two coupled ring-resonators, provide frequency shifts as high as 28 gigahertz with an on-chip conversion efficiency of approximately 90 per cent. Importantly, the devices can be reconfigured as tunable frequency-domain beam splitters. We also demonstrate a non-blocking and efficient swap of information between two frequency channels with one of the devices. Finally, we propose and demonstrate a scheme for cascaded frequency shifting that allows shifts of 119.2 gigahertz using a 29.8 gigahertz continuous and single-tone microwave signal. Our devices could become building blocks for future high-speed and large-scale classical information processors7,29 as well as emerging frequency-domain photonic quantum computers9,11,14. Engineering of the coupling between optical modes in a lithium niobate chip enables the realization of tunable, bi-directional and low-loss electro-optic frequency shifters controlled using only continuous and single-tone microwaves.
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