日前，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员宣布，在两项新的研究中，他们大幅提高了一系列芯片级器件设备的效率和激光功率输出。这些设备在使用相同的输入激光源的情况下，却能够产生不同颜色的激光——这提供了一种在集成微芯片上产生激光的新方法。

应用于下一代量子设备

许多量子技术，包括微型光学原子钟和未来的量子计算机，将需要在一个小空间区域内同时访问多个、广泛变化的激光波长。例如，一些领先的基于原子的量子计算设计，其所需的全部步骤都需要多达六种不同的激光波长，包括制备原子、冷却它们、读取它们的能量状态和执行量子逻辑操作。

为了在一个芯片上产生多个波长，NIST研究所的研究员Kartik Srinivasan及其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），这些器件均具备一个特性：进入设备的激光波长可能与离开设备的激光波长不同。

在他们的实验中，研究人员采用了一种被称为三阶光学参数振荡（OPO）的过程，随后入射光被转换成两种不同的波长，分别对应两种不同的频率。例如，入射到材料上的近红外激光被转换成波长较短的可见激光和波长较长的红外激光（频率较低）。

此前，该团队证明了这种被称为“光学参数振荡”的转换过程可以在氮化硅微谐振器（一种小到可以在芯片上制造的环形器件）中实现。

光在环上跑了大约5000次，形成了足够高的强度，让氮化硅将其转换成两种不同的频率。然后，这两种波长被耦合到一个同样由氮化硅制成的直矩形通道中——该通道位于环的相邻位置，可充当传输线或波导并将光传输到需要的地方。

波长范围广

以往，产生的特定波长由微谐振器的尺寸以及输入激光的波长决定。由于在制造过程中创建了许多尺寸略有不同的微谐振器，该技术在单个芯片上提供了广泛的输出，所有输出都使用相同的输入激光器。

然而，Srinivasan和他的同事，包括来自NIST研究所和马里兰大学合作的联合量子研究所（JQI）的研究人员，均发现这个过程效率非常低——只有不到0．1％的输入激光被转换成波导中两个输出波长中的任意一个。研究小组观察发现，大部分的效率低下是由于环和波导之间耦合不良。

在第一项研究（发表于《APL Photonics》）中，Srinivasan和他的NIST／JQI合作者重新设计了直波导，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，是他们早期实验的150多倍。

功率里程碑

此外，转换后的光在从可见光到近红外的宽波长范围内具有超过1毫瓦的功率。Srinivasan表示，产生1毫瓦的电力成为了一个里程碑，因为这一水平已足以满足多种应用。例如，它可以使一个微小的激光激发电子在原子内部从一个特定的能级跳跃或跃迁到另一个能级。

此外，毫瓦的功率水平足以使激光稳定。一些原子具有非常稳定的跃迁能量，对环境影响不敏感，而他们的研究提供了一个很好的参考，通过它可以比较和校正激光频率，最终改善其噪声特性。

在第二项研究（发表于《自然通讯》）中，Srinivasan和他的同事在Edgar Perez的带领下，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以及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波长。