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在兩項新的研究中，美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員極大地提高了一系列芯片級設備的效率和功率輸出，這些設備在使用同一輸入激光源的同時產(chǎn)生不同顏色的激光。

四個納米光子諧振器，每個幾何形狀略有不同，從同一個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，包括微型光學原子鐘和未來的量子計算機，將需要在一個小的空間區(qū)域內(nèi)同時獲得多種廣泛變化的激光顏色。例如，基于原子的領先的量子計算設計所需的所有步驟需要多達六種不同的激光顏色，包括準備原子，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和他的同事們在過去幾年里研究了非線性光學器件，比如那些由氮化硅制成的器件，它們有一種特殊的性質(zhì)：進入該設備的激光的顏色可以與流出的顏色不同。在他們的實驗中，進入的光被轉(zhuǎn)換為兩種不同的顏色--它們對應于兩個不同的頻率。例如，入射到材料上的近紅外激光被轉(zhuǎn)換成較短波長的可見激光（頻率比光源高）和較長波長的紅外激光（頻率低）。

在之前的工作中，該團隊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，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，該技術在單個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，該研究所是美國國家技術研究所和馬里蘭大學的合作機構，他們發(fā)現(xiàn)這個過程的效率非常低。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)和波導之間的不良耦合。

在第一項研究中，斯里尼瓦桑和他的NIST/JQI合作者，在喬丹-斯通的領導下，重新設計了直波導，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，是他們早期實驗的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里程碑，因為這一數(shù)量通常足以滿足若干應用。例如，它可以使一個微小的激光器激發(fā)電子從一個原子內(nèi)的一個特定能級跳躍，或過渡到另一個能級。激發(fā)這些過渡是從單個原子或類似原子的系統(tǒng)（如量子點）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，對環(huán)境影響不敏感，因此提供了一個很好的參考，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》雜志上報告了他們的結果。

在第二項研究中，斯里尼瓦桑和他的同事在埃德加-佩雷斯的帶領下，進一步提高了該技術的功率輸出和效率。通過增加環(huán)和波導之間的耦合并抑制可能干擾顏色轉(zhuǎn)換的影響，該團隊將輸出激光功率提高到了20毫瓦，并將多達29%的入射激光轉(zhuǎn)換為輸出顏色。盡管這項研究中的顏色僅限于近紅外，但該團隊計劃將他們的工作擴展到可見光波長。

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