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)，都需要在一個(gè)小空間范圍內(nèi)，同時(shí)訪問多種、變化廣泛的激光顏色。例如，基于原子的量子計(jì)算設(shè)計(jì)所需的所有步驟都需要多達(dá)六種不同的激光顏色，包括準(zhǔn)備原子、冷卻原子、讀取原子的能量狀態(tài)和執(zhí)行量子邏輯運(yùn)算。

近日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員在兩項(xiàng)新研究中，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)備可以在使用相同的輸入激光源來產(chǎn)生不同顏色的激光。

四個(gè)納米光子諧振器，每個(gè)諧振器的幾何形狀略有不同，同一個(gè)近紅外泵浦激光器產(chǎn)生的不同顏色可見光。來源：NIST。

為了在一個(gè)芯片上創(chuàng)造多種激光顏色，NIST研究員Kartik Srinivasan和他的同事們?cè)谶^去幾年里一直在研究非線性光學(xué)器件，比如由氮化硅制成的器件，它們具有一種特殊的屬性：進(jìn)入器件的激光顏色可以不同于出來的顏色。在他們的實(shí)驗(yàn)中，入射光被轉(zhuǎn)換成兩種不同的顏色——這兩種顏色對(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)換為波長較短的可見激光（頻率高于光源）和波長較長的紅外激光（頻率較低）。

在之前的工作中，該團(tuán)隊(duì)證明了這種被稱為光學(xué)參量振蕩的轉(zhuǎn)換過程可以發(fā)生在氮化硅微諧振器內(nèi)，這是一種小到可以在芯片上制造的環(huán)形器件。光繞著環(huán)周圍傳播了大約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)同樣由氮化硅制成的直矩形通道中，該通道與環(huán)相鄰，充當(dāng)傳輸線或波導(dǎo)，將光傳輸?shù)叫枰牡胤健?/p>

產(chǎn)生的特定顏色由微諧振器的尺寸以及輸入激光的顏色決定。由于在制造過程中產(chǎn)生了許多尺寸略有不同的微諧振器，因此該技術(shù)在單個(gè)芯片上提供了多種輸出顏色，所有這些都使用相同的輸入激光。

然而，Kartik Srinivasan和他的同事，包括NIST和馬里蘭大學(xué)合作的聯(lián)合量子研究所（JQI）的研究人員，發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程效率很低。不到0.1%的輸入激光被轉(zhuǎn)換成在波導(dǎo)中傳播的兩種輸出顏色中的任何一種。該團(tuán)隊(duì)將大部分效率低下歸因于環(huán)和波導(dǎo)之間的不良耦合。

在第一項(xiàng)研究中，Kartik Srinivasan和他的NIST/JQI合作者，在Jordan Stone的領(lǐng)導(dǎo)下，重新設(shè)計(jì)了直波導(dǎo)，使其呈U形并包裹在環(huán)的一部分上。通過這種修改，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多倍。此外，轉(zhuǎn)換后的光在從可見光到近紅外的寬波長范圍內(nèi)擁有超過1毫瓦的功率。

Kartik Srinivasan說，產(chǎn)生一毫瓦的功率是一個(gè)里程碑，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)量通常足以滿足多種應(yīng)用。例如，它可以使微型激光激發(fā)電子在原子內(nèi)從一個(gè)特定的能級(jí)跳變或躍遷到另一個(gè)特定能級(jí)。激發(fā)這些躍遷是從單個(gè)原子或類原子系統(tǒng)（如量子點(diǎn)）生成光的量子態(tài)（如單光子態(tài)）的常見協(xié)議的一部分。

此外，毫瓦功率水平足以實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)定。一些原子具有非常穩(wěn)定的躍遷能量，并且對(duì)環(huán)境影響不敏感，因此，為比較和校正激光頻率提供了很好的參考，最終改善其噪聲特性。

研究人員在早前出版的《APL Photonics》雜志上報(bào)告了他們的研究結(jié)果。

而在第二項(xiàng)研究中，研究人員進(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)換的效應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)將輸出激光功率提高到高達(dá)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)展到可見波長。

第二項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)由研究人員發(fā)表在了《Nature Communications》雜志上。