在兩項(xiàng)新的研究中，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員極大地提高了一系列芯片級(jí)設(shè)備的效率和功率輸出，這些設(shè)備在使用同一輸入激光源的同時(shí)產(chǎn)生不同顏色的激光。

四個(gè)納米光子諧振器，每個(gè)幾何形狀略有不同，從同一個(gè)近紅外泵浦激光器產(chǎn)生不同顏色的可見光。資料來源：NIST

許多量子技術(shù)，包括微型光學(xué)原子鐘和未來的量子計(jì)算機(jī)，將需要在一個(gè)小的空間區(qū)域內(nèi)同時(shí)獲得多種廣泛變化的激光顏色。例如，基于原子的領(lǐng)先的量子計(jì)算設(shè)計(jì)所需的所有步驟需要多達(dá)六種不同的激光顏色，包括準(zhǔn)備原子，冷卻原子，讀出它們的能量狀態(tài)，以及執(zhí)行量子邏輯操作。

為了在一個(gè)芯片上創(chuàng)造多種激光顏色，NIST的研究員Kartik Srinivasan和他的同事們?cè)谶^去幾年里研究了非線性光學(xué)器件，比如那些由氮化硅制成的器件，它們有一種特殊的性質(zhì)：進(jìn)入該設(shè)備的激光的顏色可以與流出的顏色不同。在他們的實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)入的光被轉(zhuǎn)換為兩種不同的顏色--它們對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同的頻率。例如，入射到材料上的近紅外激光被轉(zhuǎn)換成較短波長(zhǎng)的可見激光（頻率比光源高）和較長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外激光（頻率低）。

在之前的工作中，該團(tuán)隊(duì)證明了這種被稱為光參數(shù)振蕩的轉(zhuǎn)換過程可以在氮化硅微諧振器中發(fā)生，這種環(huán)形裝置小到可以在芯片上制造。光線繞著環(huán)狀物旋轉(zhuǎn)了大約5000次，形成了足夠高的強(qiáng)度，使氮化硅能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為兩種不同的頻率。然后，這兩種顏色被耦合到一個(gè)直的矩形通道中，該通道也是由氮化硅制成的，位于環(huán)的旁邊，作為傳輸線或波導(dǎo)，將光傳輸?shù)叫枰牡胤健?/p>

產(chǎn)生的具體顏色由微諧振器的尺寸以及輸入激光的顏色決定。由于在制造過程中創(chuàng)造了許多不同尺寸的微諧振器，該技術(shù)在單個(gè)芯片上提供了廣泛的輸出顏色，所有這些都使用同一輸入激光。

然而，斯里尼瓦桑和他的同事，其中包括來自聯(lián)合量子研究所（JQI）的研究人員，該研究所是美國(guó)國(guó)家技術(shù)研究所和馬里蘭大學(xué)的合作機(jī)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程的效率非常低。只有不到0.1%的輸入激光被轉(zhuǎn)化為在波導(dǎo)中傳播的兩種輸出顏色中的一種。該小組將大部分低效率歸因于環(huán)和波導(dǎo)之間的不良耦合。

在第一項(xiàng)研究中，斯里尼瓦桑和他的NIST/JQI合作者，在喬丹-斯通的領(lǐng)導(dǎo)下，重新設(shè)計(jì)了直波導(dǎo)，使其成為U形，并環(huán)繞環(huán)的一部分。通過這一修改，研究人員能夠?qū)⒋蠹s15%的入射光轉(zhuǎn)換為所需的輸出顏色，是他們?cè)缙趯?shí)驗(yàn)的150倍以上。此外，轉(zhuǎn)換后的光在從可見光到近紅外的廣泛波長(zhǎng)范圍內(nèi)擁有超過一毫瓦的功率。

斯里尼瓦桑說，產(chǎn)生一毫瓦的功率是一個(gè)里程碑，因?yàn)檫@一數(shù)量通常足以滿足若干應(yīng)用。例如，它可以使一個(gè)微小的激光器激發(fā)電子從一個(gè)原子內(nèi)的一個(gè)特定能級(jí)跳躍，或過渡到另一個(gè)能級(jí)。激發(fā)這些過渡是從單個(gè)原子或類似原子的系統(tǒng)（如量子點(diǎn)）產(chǎn)生光的量子態(tài)（如單光子態(tài)）的常見協(xié)議的一部分。

此外，毫瓦級(jí)的功率水平可以滿足激光穩(wěn)定的需要。一些原子的過渡能量非常穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境影響不敏感，因此提供了一個(gè)很好的參考，通過它可以比較和校正激光頻率，最終改善其噪聲特性。

研究人員在2022年12月2日的《APL Photonics》雜志上報(bào)告了他們的結(jié)果。

在第二項(xiàng)研究中，斯里尼瓦桑和他的同事在埃德加-佩雷斯的帶領(lǐng)下，進(jìn)一步提高了該技術(shù)的功率輸出和效率。通過增加環(huán)和波導(dǎo)之間的耦合并抑制可能干擾顏色轉(zhuǎn)換的影響，該團(tuán)隊(duì)將輸出激光功率提高到了20毫瓦，并將多達(dá)29%的入射激光轉(zhuǎn)換為輸出顏色。盡管這項(xiàng)研究中的顏色僅限于近紅外，但該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將他們的工作擴(kuò)展到可見光波長(zhǎng)。

研究人員在2023年1月16日的《自然通訊》雜志上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。