在兩(liang) 項新的研究中，美國國家標準與(yu) 技術研究所（NIST）的研究人員極大地提高了一係列芯片級設備的效率和功率輸出，這些設備在使用同一輸入激光源的同時產(chan) 生不同顏色的激光。

四個(ge) 納米光子諧振器，每個(ge) 幾何形狀略有不同，從(cong) 同一個(ge) 近紅外泵浦激光器產(chan) 生不同顏色的可見光。資料來源：NIST

許多量子技術，包括微型光學原子鍾和未來的量子計算機，將需要在一個(ge) 小的空間區域內(nei) 同時獲得多種廣泛變化的激光顏色。例如，基於(yu) 原子的領先的量子計算設計所需的所有步驟需要多達六種不同的激光顏色，包括準備原子，冷卻原子，讀出它們(men) 的能量狀態，以及執行量子邏輯操作。

為(wei) 了在一個(ge) 芯片上創造多種激光顏色，NIST的研究員Kartik Srinivasan和他的同事們(men) 在過去幾年裏研究了非線性光學器件，比如那些由氮化矽製成的器件，它們(men) 有一種特殊的性質：進入該設備的激光的顏色可以與(yu) 流出的顏色不同。在他們(men) 的實驗中，進入的光被轉換為(wei) 兩(liang) 種不同的顏色--它們(men) 對應於(yu) 兩(liang) 個(ge) 不同的頻率。例如，入射到材料上的近紅外激光被轉換成較短波長的可見激光（頻率比光源高）和較長波長的紅外激光（頻率低）。

在之前的工作中，該團隊證明了這種被稱為(wei) 光參數振蕩的轉換過程可以在氮化矽微諧振器中發生，這種環形裝置小到可以在芯片上製造。光線繞著環狀物旋轉了大約5000次，形成了足夠高的強度，使氮化矽能夠將其轉換為(wei) 兩(liang) 種不同的頻率。然後，這兩(liang) 種顏色被耦合到一個(ge) 直的矩形通道中，該通道也是由氮化矽製成的，位於(yu) 環的旁邊，作為(wei) 傳(chuan) 輸線或波導，將光傳(chuan) 輸到需要的地方。

產(chan) 生的具體(ti) 顏色由微諧振器的尺寸以及輸入激光的顏色決(jue) 定。由於(yu) 在製造過程中創造了許多不同尺寸的微諧振器，該技術在單個(ge) 芯片上提供了廣泛的輸出顏色，所有這些都使用同一輸入激光。

然而，斯裏尼瓦桑和他的同事，其中包括來自聯合量子研究所（JQI）的研究人員，該研究所是美國國家技術研究所和馬裏蘭(lan) 大學的合作機構，他們(men) 發現這個(ge) 過程的效率非常低。隻有不到0.1%的輸入激光被轉化為(wei) 在波導中傳(chuan) 播的兩(liang) 種輸出顏色中的一種。該小組將大部分低效率歸因於(yu) 環和波導之間的不良耦合。

在第一項研究中，斯裏尼瓦桑和他的NIST/JQI合作者，在喬(qiao) 丹-斯通的領導下，重新設計了直波導，使其成為(wei) U形，並環繞環的一部分。通過這一修改，研究人員能夠將大約15%的入射光轉換為(wei) 所需的輸出顏色，是他們(men) 早期實驗的150倍以上。此外，轉換後的光在從(cong) 可見光到近紅外的廣泛波長範圍內(nei) 擁有超過一毫瓦的功率。

斯裏尼瓦桑說，產(chan) 生一毫瓦的功率是一個(ge) 裏程碑，因為(wei) 這一數量通常足以滿足若幹應用。例如，它可以使一個(ge) 微小的激光器激發電子從(cong) 一個(ge) 原子內(nei) 的一個(ge) 特定能級跳躍，或過渡到另一個(ge) 能級。激發這些過渡是從(cong) 單個(ge) 原子或類似原子的係統（如量子點）產(chan) 生光的量子態（如單光子態）的常見協議的一部分。

此外，毫瓦級的功率水平可以滿足激光穩定的需要。一些原子的過渡能量非常穩定，對環境影響不敏感，因此提供了一個(ge) 很好的參考，通過它可以比較和校正激光頻率，最終改善其噪聲特性。

研究人員在2022年12月2日的《APL Photonics》雜誌上報告了他們(men) 的結果。

在第二項研究中，斯裏尼瓦桑和他的同事在埃德加-佩雷斯的帶領下，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並抑製可能幹擾顏色轉換的影響，該團隊將輸出激光功率提高到了20毫瓦，並將多達29%的入射激光轉換為(wei) 輸出顏色。盡管這項研究中的顏色僅(jin) 限於(yu) 近紅外，但該團隊計劃將他們(men) 的工作擴展到可見光波長。

研究人員在2023年1月16日的《自然通訊》雜誌上報告了他們(men) 的發現。