美國馬里蘭大學研究團隊研制出一種新型光子芯片。這種光子器件可將單色激光光源被動轉換為紅、綠、藍三色光,無需任何主動控制或反復優(yōu)化即可穩(wěn)定工作。這一突破技術為研究量子計算、高精度頻率測量及光學計量提供了新工具。相關成果發(fā)表于新一期《科學》雜志。

傳統(tǒng)光子器件雖可捕捉和操控光子,實現(xiàn)光子流的分離、引導、放大和干涉,但功能有限且難以批量穩(wěn)定生產(chǎn)。與普通棱鏡只分解光色不同,芯片如果能直接產(chǎn)生輸入光中原本不存在的新頻率,不僅節(jié)省額外激光器占用的空間和能量,還能產(chǎn)生目前尚不存在的光頻率。

實現(xiàn)這一功能依賴特殊的非線性光-物質相互作用。但非線性效應非常微弱,為增強效果,科學家使用光子諧振器讓光在芯片中循環(huán)多次,弱效應疊加即可形成明顯效果。不過,單一諧振器生成多種頻率仍存在局限。

此前,團隊提出使用微小諧振器陣列協(xié)同工作的方法,通過數(shù)百個微環(huán)組成的陣列放大非線性效應,引導光沿邊緣傳播,并可將脈沖激光轉化為多頻率光。在最新研究中,團隊發(fā)現(xiàn)陣列本身就能提高頻率轉換的成功率,無需主動調節(jié)。實驗顯示,6塊同一晶圓上的芯片在輸入標準190THz激光后,均產(chǎn)生二、三、四次諧波光,對應紅、綠、藍三色光。而3塊單環(huán)芯片即便使用嵌入式加熱器,也僅一塊在有限條件下產(chǎn)生二次諧波。

團隊表示,陣列中小環(huán)和“超環(huán)”之間的不同循環(huán)速度,使光在芯片中更容易滿足轉換條件,相當于被動實現(xiàn)匹配。隨著輸入光強度增加,芯片還能生成更多頻率光,類似此前的多頻率光效果。

這一方法對光學計量、頻率轉換和非線性光學計算中等領域具有廣泛影響,無需主動調節(jié)即可高效工作,為芯片光源的多功能、批量化應用提供了新思路。