許多量子技術，包括微型光學原子鐘和未來的量子計算機，都需要在一個小空間范圍內，同時訪問多種、變化廣泛的激光顏色。例如，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和執行量子邏輯運算。

近日，美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員在兩項新研究中，極大地提高了一系列芯片級設備的效率和功率輸出，這些設備可以在使用相同的輸入激光源來產生不同顏色的激光。

四個納米光子諧振器，每個諧振器的幾何形狀略有不同，同一個近紅外泵浦激光器產生的不同顏色可見光。來源：NIST。

為了在一個芯片上創造多種激光顏色，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屬性：進入器件的激光顏色可以不同于出來的顏色。在他們的實驗中，入射光被轉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換為波長較短的可見激光（頻率高于光源）和波長較長的紅外激光（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量振蕩的轉換過程可以發生在氮化硅微諧振器內，這是一種小到可以在芯片上制造的環形器件。光繞著環周圍傳播了大約5000次，形成了足夠高的強度，使氮化硅能夠將其轉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，該通道與環相鄰，充當傳輸線或波導，將光傳輸到需要的地方。

產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生了許多尺寸略有不同的微諧振器，因此該技術在單個芯片上提供了多種輸出顏色，所有這些都使用相同的輸入激光。

然而，Kartik Srinivasan和他的同事，包括NIST和馬里蘭大學合作的聯合量子研究所（JQI）的研究人員，發現這個過程效率很低。不到0.1%的輸入激光被轉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和波導之間的不良耦合。

在第一項研究中，Kartik 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形并包裹在環的一部分上。通過這種修改，研究人員能夠將大約15%的入射光轉換為所需的輸出顏色，是他們早期實驗的150多倍。此外，轉換后的光在從可見光到近紅外的寬波長范圍內擁有超過1毫瓦的功率。

Kartik Srinivasan說，產生一毫瓦的功率是一個里程碑，因為這個數量通常足以滿足多種應用。例如，它可以使微型激光激發電子在原子內從一個特定的能級跳變或躍遷到另一個特定能級。激發這些躍遷是從單個原子或類原子系統（如量子點）生成光的量子態（如單光子態）的常見協議的一部分。

此外，毫瓦功率水平足以實現激光穩定。一些原子具有非常穩定的躍遷能量，并且對環境影響不敏感，因此，為比較和校正激光頻率提供了很好的參考，最終改善其噪聲特性。

研究人員在早前出版的《APL Photonics》雜志上報告了他們的研究結果。

而在第二項研究中，研究人員進一步提高了該技術的功率輸出和效率。通過增加環和波導之間的耦合并抑制可能干擾顏色轉換的效應，該團隊將輸出激光功率提高到高達20毫瓦，并將多達29%的入射激光轉換為輸出顏色。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。

第二項研究的發現由研究人員發表在了《Nature Communications》雜志上。