科学家完善了产生精确波长可见激光的微型化技术

克尔光子晶体微谐振器中波长选择性非线性转换的概念描述。用光栅周期为 2πR/N 的光栅对微谐振器内侧壁（图中）进行空间调制（其中 N 为整数），可将方位模数为 ms（= N/2）的 CW 和 CCW 行波模式相干耦合，并产生两个频率间隔为 2J（J 与侧壁调制幅度成正比）的超模，分别表示为 "+"和"-"。我们将侧壁调制的空间频率 N 与通过非线性波长转换产生的输出波的波长 ks = N/2R 联系起来。因此，光子晶体谐振器的功能就像一个齿轮，如左上图所示，可以精确控制特定设备产生的波长。下图：在具有正常 GVD 的谐振器中，由于能量不守恒（见能级图），行波模式之间无法发生 FWM，但可以使用其中一种超模实现频率匹配。例如，这样就能在具有纯正常 GVD 的微谐振器中实现 OPO、THG 和 FWM-BS，在具有纯反常 GVD 的微谐振器中实现 DWE，从而支持孤子微蜂窝。资料来源：《Nature Photonics》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41566-023-01326-6

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员和马里兰大学与 NIST 合作成立的联合量子研究所（JQI）的同事们通过在微型环形谐振器（微环）上制造周期性的微小凹凸，将近红外线（NIR）激光高精度、高效率地转换成特定波长的可见光。

这种技术在精密计时和量子信息科学领域具有潜在的应用前景，因为这些领域需要高度特定波长的可见激光，而半导体激光器并不能始终实现这种波长，因此无法驱动原子或固态系统。理想情况下，波长应在光子芯片等紧凑型设备中产生，这样量子传感器和光学原子钟就可以部署在实验室外，而不再受制于笨重的光学设备。在之前的实验中，NIST 研究员 Kartik Srinivasan 和他的同事们使用了非常光滑的微谐振器--直径约为头发丝四分之一粗细的环形器件--将单一波长的近红外光转换成另外两种波长。这种谐振器小到可以安装在微芯片上，其设计可以使两个输出波长中的一个波长位于可见光的光谱范围内。当近红外激光绕着环形谐振器旋转数千圈，达到足以与谐振器材料发生强烈相互作用的强度时，就会发生转换。

从理论上讲，通过选择谐振器的特定半径、宽度和高度--它们决定了能在环中产生共鸣的光的特性--研究人员可以从该技术可能产生的彩虹色中选择任何一种。然而，在实践中，这种被称为光学参数振荡（OPO）的方法并不总是精确的。即使与微环的指定尺寸有几纳米的偏差，也会产生与所需输出波长相差甚远的可见光颜色。因此，研究人员不得不制造多达 100 个氮化硅微环，以便至少有一些微环具有产生目标波长的正确尺寸。但即使是这种费力的措施也不能保证成功。

现在，Srinivasan和他的合作者，在JQI的Jordan Stone的领导下，已经证明通过在微谐振器表面引入缺陷--微小的周期性波纹或凸起，他们可以选择特定的可见光输出波长，精确度达到99.7%。Stone表示说：随着技术的改进，该技术产生的可见光波长应能精确到目标值的99.9%以上，而这正是光学原子钟和其他高精度设备的要求。

研究人员在《Nature Photonics》上介绍了他们的工作内容。Stone 介绍说：在我们以前的实验中，我们达到了感兴趣波长的大致范围，但对于许多应用来说，这还不够好。你真的必须把波长精确到很高的程度。我们现在通过在微环谐振器上结合波纹的周期性排列来实现这种精度。将单波长输入转换成两个不同波长输出的光学原理是能量守恒定律： 来自近红外激光器的两个输入光子所携带的能量必须等于输出光子所携带的能量： 一个波长较短（光子能量较高），一个波长较长（光子能量较低）。在这种情况下，波长较短的光子就是可见光。此外，每个输入和输出波长必须与微环尺寸所允许的共振波长之一相对应，就像音叉的长度决定了其共振的特定音符一样。在他们的新研究中，研究人员设计了一种微环，如果没有波纹，这种微环的尺寸就不允许光子在环中产生共振并产生新的波长，因为这个过程不会保持能量。然而，当研究小组用微小的周期性波纹雕刻环形结构并改变其尺寸时，OPO得以继续进行，将近红外激光转化为特定波长的可见光和另一种更长的波长。这些由 OPO 生成的颜色与之前由光滑微环产生的颜色不同，可以通过凹凸的间距和宽度进行精确控制。

这些波纹就像一面面微小的反射镜，共同来回反射环上的可见光--但只有一种特定波长的可见光。反射的结果是两个相同的波以相反的方向绕环传播。在环内，反向传播的波相互干扰，形成驻波。根据驻波与波纹的波峰或波谷的相互作用程度，驻波的波长会变长或变短。在这两种情况下，位移的大小都取决于凹凸的高度。由于凸点只对特定波长的光起到镜像作用，因此这种方法可以保证在发生 OPO 时，产生的信号波具有准确的预期波长。Stone解释说：通过稍微改变驱动 OPO 过程的红外激光的波长，就可以补偿波纹中的任何缺陷。