改进的芯片级颜色转换激光器为实现许多下一代量子器件打开大门

图：四个纳米光子谐振器，每个谐振器的几何形状略有不同，从同一近红外泵浦激光器产生不同颜色的可见光。来源：NIST

       在两项新的研究中，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，这些设备在使用相同的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，需要在一个小空间区域内同时访问多种变化的激光颜色。例如，领先的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。

       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特性：进入器件的激光的颜色可能与发出的颜色不同。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较短波长的可见激光（频率高于光源）和较长波长的红外激光（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数振荡的转换过程可以发生在氮化硅微谐振器内，这是一种足够小的环形器件，可以在芯片上制造。光在环周围传播了大约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不同微谐振器，因此该技术在单个芯片上提供了宽范围的输出颜色，所有这些都使用相同的输入激光器。

       然而，Srinivasan和他的同事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耦合不良。

       在第一项研究中，研究人员重新设计了直波导，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。

       Srinivasan说，发电一毫瓦是一个里程碑，因为这个数量通常足以满足多种应用。例如，它可以使微小的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似原子的系统（如量子点）生成光的量子态（如单光子态）的一部分。

       此外，毫瓦功率水平对于激光稳定来说是足够的。一些原子具有非常稳定的跃迁能，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，最终改善了其噪声性能。

       研究人员在APL Photonics杂志上报告了他们的研究结果。

       在第二项研究中，Srinivasan和他的同事在Edgar Perez的领导下，进一步提高了这项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。

       研究人员在《Nature Communications》上报道了他们的研究。

[1]  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