距离增加1亿倍！中国科大实现两个光力系统的全光远程同步

光子盒研究院出品

同步两个振荡物体的运动的能力彻底改变了需要精确测量才能运行的技术，例如时钟。对于长距离耦合，研究人员通常使用机电振荡器——其运动是由电驱动的，其同步来自电子耦合或物理连接。现在，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室郭光灿院士团队董春华教授及其合作者邹长铃等，通过光学方式同步了两个相隔5公里的微米级物体的运动，这个距离比之前的演示长了约1亿倍[1]。

董春华

此次实验证明了一个摆动的微球和一个振动微盘的运动通过5公里的、光纤连接的光学耦合。8月5日，相关成果以《远程光力系统的全光同步》为题[2]，发表在《物理评论快报》上，并被选为“编辑推荐”（Editors' Suggestion）。

通过注入锁定（locking）实现全光同步。(a)两个由单色激光器驱动的级联光学机械系统图示（由一根光纤连接）；(b)、(c)第二个腔体在解锁和锁定状态下的典型功率谱密度。

(a)长距离光力同步装置的示意图。FPC，光纤偏振控制器；PD，光电探测器；WDM，波分复用。(b)当泵浦激光分别扫描微球（上）和微盘（下）的共振时，在热光学和光机械效应下的典型光模式传输。(c)、(b)的扫描过程中的相关机械频率。

用12米的单模光纤分隔的两个光力系统实现了同步结果。

(a)不同光力体系全光同步的示意图；(b)微球和微盘通过5km的单模光纤实现同步的动力学过程；两个机械振子同步前(c)和同步后(d)的相位图。

该团队制造了一个直径为38.7微米的硅球和一个直径为41.76微米的硅盘，它们以相同的谐振频率振荡，然后他们用5公里长的盘绕光纤连接这些物体。

为了同步物体的运动，首先利用高功率激光器的光压使球体振荡；在与球体相互作用后，光线沿着光纤被引导到圆盘上，以建立一个类似的振荡；对两个物体的运动的测量表明，它们的振动是同相的。

董春华表示[1]，由于与电子信号相比，光信号的损失更小，该技术可以使相隔很远的物体实现更具鲁棒性的同步。“机械振荡器运动的光学耦合已经在集成电路的振荡器中实现。但在已有情况下的振荡器只相隔几微米，这限制了该技术的应用。此次实验中实现的距离增加来自于对光力系统的光学同步的更详细的理解，和对相关技术的微调。”本实验所展示的远距离全光同步技术，为构建复杂的同步光力系统网络奠定基础，有望在光通信和时钟同步等领域得到应用。

中国科大博士研究生李锦、周中昊、博士后万帅为论文共同第一作者，董春华、李明为论文通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、中科院、国家自然科学基金委员会、量子信息与量子科技前沿协同创新中心等的支持[3]。

参考链接：

[1]https://physics.aps.org/articles/v15/s109

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.063605

[3]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/80037.htm

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