改进的芯片级颜色转换激光器可以实现许多下一代的量子设备

四个纳米光子谐振器，每个几何形状略有不同，从同一个近红外泵浦激光器产生不同颜色的可见光。资料来源：NIST

在两项新的研究中，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员极大地提高了一系列芯片级设备的效率和功率输出，这些设备在使用同一输入激光源的同时产生不同颜色的激光。

许多量子技术，包括微型光学原子钟和未来的量子计算机，将需要在一个小的空间区域内同时获得多种广泛变化的激光颜色。例如，基于原子的领先的量子计算设计所需的所有步骤需要多达六种不同的激光颜色，包括准备原子，冷却原子，读出它们的能量状态，以及执行量子逻辑操作。

为了在一个芯片上创造多种激光颜色，NIST的研究员Kartik Srinivasan和他的同事们在过去几年里研究了非线性光学器件，比如那些由氮化硅制成的器件，它们有一种特殊的性质：进入该设备的激光的颜色可以与流出的颜色不同。在他们的实验中，进入的光被转换为两种不同的颜色--它们对应于两个不同的频率。例如，入射到材料上的近红外激光被转换成较短波长的可见激光（频率比光源高）和较长波长的红外激光（频率低）。

在之前的工作中，该团队证明了这种被称为光参数振荡的转换过程可以在氮化硅微谐振器中发生，这种环形装置小到可以在芯片上制造。光线绕着环状物旋转了大约5000次，形成了足够高的强度，使氮化硅能够将其转换为两种不同的频率。然后，这两种颜色被耦合到一个直的矩形通道中，该通道也是由氮化硅制成的，位于环的旁边，作为传输线或波导，将光传输到需要的地方。

产生的具体颜色由微谐振器的尺寸以及输入激光的颜色决定。由于在制造过程中创造了许多不同尺寸的微谐振器，该技术在单个芯片上提供了广泛的输出颜色，所有这些都使用同一输入激光。

然而，斯里尼瓦桑和他的同事，其中包括来自联合量子研究所（JQI）的研究人员，该研究所是美国国家技术研究所和马里兰大学的合作机构，他们发现这个过程的效率非常低。只有不到0.1%的输入激光被转化为在波导中传播的两种输出颜色中的一种。该小组将大部分低效率归因于环和波导之间的不良耦合。

在第一项研究中，斯里尼瓦桑和他的NIST/JQI合作者，在乔丹-斯通的领导下，重新设计了直波导，使其成为U形，并环绕环的一部分。通过这一修改，研究人员能够将大约15%的入射光转换为所需的输出颜色，是他们早期实验的150倍以上。此外，转换后的光在从可见光到近红外的广泛波长范围内拥有超过一毫瓦的功率。

斯里尼瓦桑说，产生一毫瓦的功率是一个里程碑，因为这一数量通常足以满足若干应用。例如，它可以使一个微小的激光器激发电子从一个原子内的一个特定能级跳跃，或过渡到另一个能级。激发这些过渡是从单个原子或类似原子的系统（如量子点）产生光的量子态（如单光子态）的常见协议的一部分。

此外，毫瓦级的功率水平可以满足激光稳定的需要。一些原子的过渡能量非常稳定，对环境影响不敏感，因此提供了一个很好的参考，通过它可以比较和校正激光频率，最终改善其噪声特性。

研究人员在2022年12月2日的《APL Photonics》杂志上报告了他们的结果。

在第二项研究中，斯里尼瓦桑和他的同事在埃德加-佩雷斯的带领下，进一步提高了该技术的功率输出和效率。通过增加环和波导之间的耦合并抑制可能干扰颜色转换的影响，该团队将输出激光功率提高到了20毫瓦，并将多达29%的入射激光转换为输出颜色。尽管这项研究中的颜色仅限于近红外，但该团队计划将他们的工作扩展到可见光波长。

研究人员在2023年1月16日的《自然通讯》杂志上报告了他们的发现。
 

参考资料
 

Edgar F. Perez et al, High-performance Kerr microresonator optical parametric oscillator on a silicon chip, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-022-35746-9

Jordan R. Stone et al, Efficient chip-based optical parametric oscillators from 590 to 1150 nm, APL Photonics (2022). DOI: 10.1063/5.0117691

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