芯片级颜色转换激光器研究取得进展，或应用于量子技术

许多量子技术，包括微型光学原子钟和未来的量子计算机，都需要在一个小空间范围内，同时访问多种、变化广泛的激光颜色。例如，基于原子的量子计算设计所需的所有步骤都需要多达六种不同的激光颜色，包括准备原子、冷却原子、读取原子的能量状态和执行量子逻辑运算。

近日，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员在两项新研究中，极大地提高了一系列芯片级设备的效率和功率输出，这些设备可以在使用相同的输入激光源来产生不同颜色的激光。

四个纳米光子谐振器，每个谐振器的几何形状略有不同，同一个近红外泵浦激光器产生的不同颜色可见光。来源：NIST。

为了在一个芯片上创造多种激光颜色，NIST研究员Kartik Srinivasan和他的同事们在过去几年里一直在研究非线性光学器件，比如由氮化硅制成的器件，它们具有一种特殊的属性：进入器件的激光颜色可以不同于出来的颜色。在他们的实验中，入射光被转换成两种不同的颜色——这两种颜色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为波长较短的可见激光（频率高于光源）和波长较长的红外激光（频率较低）。

在之前的工作中，该团队证明了这种被称为光学参量振荡的转换过程可以发生在氮化硅微谐振器内，这是一种小到可以在芯片上制造的环形器件。光绕着环周围传播了大约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同样由氮化硅制成的直矩形通道中，该通道与环相邻，充当传输线或波导，将光传输到需要的地方。

产生的特定颜色由微谐振器的尺寸以及输入激光的颜色决定。由于在制造过程中产生了许多尺寸略有不同的微谐振器，因此该技术在单个芯片上提供了多种输出颜色，所有这些都使用相同的输入激光。

然而，Kartik Srinivasan和他的同事，包括NIST和马里兰大学合作的联合量子研究所（JQI）的研究人员，发现这个过程效率很低。不到0.1%的输入激光被转换成在波导中传播的两种输出颜色中的任何一种。该团队将大部分效率低下归因于环和波导之间的不良耦合。

在第一项研究中，Kartik Srinivasan和他的NIST/JQI合作者，在Jordan Stone的领导下，重新设计了直波导，使其呈U形并包裹在环的一部分上。通过这种修改，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多倍。此外，转换后的光在从可见光到近红外的宽波长范围内拥有超过1毫瓦的功率。

Kartik Srinivasan说，产生一毫瓦的功率是一个里程碑，因为这个数量通常足以满足多种应用。例如，它可以使微型激光激发电子在原子内从一个特定的能级跳变或跃迁到另一个特定能级。激发这些跃迁是从单个原子或类原子系统（如量子点）生成光的量子态（如单光子态）的常见协议的一部分。

此外，毫瓦功率水平足以实现激光稳定。一些原子具有非常稳定的跃迁能量，并且对环境影响不敏感，因此，为比较和校正激光频率提供了很好的参考，最终改善其噪声特性。

研究人员在早前出版的《APL Photonics》杂志上报告了他们的研究结果。

而在第二项研究中，研究人员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效应，该团队将输出激光功率提高到高达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波长。

第二项研究的发现由研究人员发表在了《Nature Communications》杂志上。