改进的芯片级颜色转换激光器可以实现许多下一代量子器件

在两项新的研究中，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员大大提高了一系列芯片级设备的效率和功率输出，这些设备产生不同颜色的激光，同时使用相同的输入激光源。

许多量子技术，包括微型光学原子钟和未来的量子计算机，将需要在一个小的空间区域内同时访问多种广泛变化的激光颜色。例如，基于原子的领先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建多种激光颜色，NIST研究员Kartik Srinivasan和他的同事在过去几年中一直在研究非线性光学器件，例如由氮化硅制成的器件，这些器件具有特殊特性：进入设备的激光的颜色可能与退出的颜色不同。在他们的实验中，入射光被转换成两种不同的颜色——对应于两种不同的频率。例如，入射在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)。

在以前的工作中，该团队证明这种转换过程，称为光学参量振荡，可以发生在氮化硅微谐振器内，氮化硅微谐振器是一种足够小的环形器件，可以在芯片上制造。光围绕环运行约5，000次，为氮化硅建立足够高的强度，将其转换为两个不同的频率。然后将两种颜色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，并充当传输线或波导，将光传输到需要的地方。

生成的特定颜色由微谐振器的尺寸以及输入激光的颜色决定。由于在制造过程中会产生许多尺寸略有不同的微谐振器，因此该技术可以在单个芯片上访问各种输出颜色，所有这些都使用相同的输入激光器。

然而，Srinivasan和他的同事，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，发现这个过程效率非常低。只有不到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追溯到环和波导之间的耦合不良。

在第一项研究中，Srinivasan和他的NIST / JQI合作者在Jordan Stone的带领下重新设计了直波导，使其呈U形并缠绕在环的一部分上。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倍以上。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一毫瓦的功率。

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的需求。例如，它可以使微小的激光激发电子从一个特定的能级跳跃或跃迁到原子内部的另一个特定能级。激发这些跃迁是从单个原子或类原子系统(如量子点)产生光的量子态(例如单光子态)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且对环境效应不敏感的过渡能，因此提供了良好的参考，通过该参考可以比较和校正激光频率，最终改善其噪声特性。

在第二项研究中，由埃德加·佩雷斯(Edgar Perez)领导的Srinivasan和他的同事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果，该团队将输出激光功率提高到20毫瓦，并将多达29%的入射激光转换为输出颜色。虽然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光波长。