本刊編譯整理

　　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，這些設備在使用相同的輸入激光源的同時產(chǎn)生不同顏色的激光。

　　許多量子技術，包括微型光學原子鐘和未來的量子計算機，將需要在一個小空間區(qū)域內(nèi)同時訪問多種廣泛變化的激光顏色。例如，領先的基于原子的量子計算設計所需的所有步驟都需要多達六種不同的激光顏色，包括準備原子、冷卻原子、讀取原子的能量狀態(tài)和執(zhí)行量子邏輯運算。

　　為了在一塊芯片上創(chuàng)造多種激光顏色，NIST 研究員Kartik Srinivasan 和他的同事們在過去幾年里一直在研究非線性光學器件，比如由氮化硅制成的器件，它們具有一種特殊的特性：進入器件的激光顏色可能與發(fā)射出的顏色不同。在他們的實驗中，入射光被轉(zhuǎn)換成兩種不同的顏色，這兩種顏色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)換為較短波長的可見激光（頻率高于光源）和較長波長的紅外激光（頻率較低）。

　　在之前的工作中，該團隊證明了這種被稱為光學參數(shù)振蕩的轉(zhuǎn)換過程可以發(fā)生在氮化硅微諧振器內(nèi)，這是一種足夠小的環(huán)形器件，可以在芯片上制造。光在環(huán)周圍傳播了大約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，充當傳輸線或波導，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，因此該技術在單塊芯片上提供了寬范圍的輸出顏色，所有這些都使用相同的輸入激光器。

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

　　在第一項研究中，Srinivasan 和他的NIST/JQI 合作者，在Jordan Stone 的領導下，重新設計了直波導，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，是他們早期實驗的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1mW 的功率。

　　Srinivasan 說，產(chǎn)生1mw 是一個里程碑，因為這個量級通常足以滿足多種應用。例如，它可以使微小的激光激發(fā)電子在原子內(nèi)從一個特定的能級躍遷到另一個特定能級。激發(fā)這些躍遷是從單個原子或類似原子的系統(tǒng)（如量子點）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，毫瓦功率水平對于激光穩(wěn)定來說是足夠的。一些原子具有非常穩(wěn)定的躍遷能，并且對環(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，最終改善了噪聲特性。

　　研究人員在2022 年12 月2 日出版的APL Photonics 雜志上報告了他們的研究結(jié)果。在第二項研究中，Srinivasan和他的同事在Edgar Perez 的領導下，進一步提高了這項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)換的效應，該團隊將輸出激光功率提高到20mw，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波長。研究人員在2023 年1 月16 日出版的《自然通訊》雜志上報道了他們的發(fā)現(xiàn)。

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