本刊編譯整理

　　在兩項(xiàng)新的研究中，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員極大地提高了一系列芯片級(jí)設(shè)備的效率和功率輸出，這些設(shè)備在使用相同的輸入激光源的同時(shí)產(chǎn)生不同顏色的激光。

　　許多量子技術(shù)，包括微型光學(xué)原子鐘和未來的量子計(jì)算機(jī)，將需要在一個(gè)小空間區(qū)域內(nèi)同時(shí)訪問多種廣泛變化的激光顏色。例如，領(lǐng)先的基于原子的量子計(jì)算設(shè)計(jì)所需的所有步驟都需要多達(dá)六種不同的激光顏色，包括準(zhǔn)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(yùn)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?cè)谶^去幾年里一直在研究非線性光學(xué)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(jìn)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(shí)驗(yàn)中，入射光被轉(zhuǎn)換成兩種不同的顏色，這兩種顏色對(duì)應(yīng)于兩個(gè)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(zhǎng)的可見激光（頻率高于光源）和較長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外激光（頻率較低）。

　　在之前的工作中，該團(tuán)隊(duì)證明了這種被稱為光學(xué)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(qiáng)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(gè)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(dāng)傳輸線或波導(dǎo)，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(shù)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(xué)合作的聯(lián)合量子研究所（JQI）的研究人員，發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程效率很低。不到0.1% 的輸入激光被轉(zhuǎn)換成在波導(dǎo)中傳播的兩種輸出顏色中的任何一種。該團(tuán)隊(duì)將大部分效率低下歸因于環(huán)和波導(dǎo)之間的耦合不良。

　　在第一項(xiàng)研究中，Srinivasan 和他的NIST/JQI 合作者，在Jordan Stone 的領(lǐng)導(dǎo)下，重新設(shè)計(jì)了直波導(dǎo)，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?cè)缙趯?shí)驗(yàn)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(zhǎng)范圍內(nèi)擁有超過1mW 的功率。

　　Srinivasan 說，產(chǎn)生1mw 是一個(gè)里程碑，因?yàn)檫@個(gè)量級(jí)通常足以滿足多種應(yīng)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(gè)特定的能級(jí)躍遷到另一個(gè)特定能級(jí)。激發(fā)這些躍遷是從單個(gè)原子或類似原子的系統(tǒng)（如量子點(diǎn)）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(duì)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(duì)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(bào)告了他們的研究結(jié)果。在第二項(xiàng)研究中，Srinivasan和他的同事在Edgar Perez 的領(lǐng)導(dǎo)下，進(jìn)一步提高了這項(xiàng)技術(shù)的功率輸出和效率。通過增加環(huán)和波導(dǎo)之間的耦合并抑制可能干擾顏色轉(zhuǎn)換的效應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)將輸出激光功率提高到20mw，并將多達(dá)29% 的入射激光轉(zhuǎn)換為輸出顏色。盡管這項(xiàng)研究中的顏色僅限于近紅外，但該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將他們的工作擴(kuò)展到可見波長(zhǎng)。研究人員在2023 年1 月16 日出版的《自然通訊》雜志上報(bào)道了他們的發(fā)現(xiàn)。

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