美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员极大地提高了一系列芯片级设备的效率和功率输出，这些设备使用相同的输入激光源产生不同颜色的激光。

　　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种、变化很大的激光颜色。例如，领先的基于原子的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、读出它们的能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里一直在研究非线性光学设备，例如那些由氮化硅制成的设备，它们具有一个特殊的属性：进入设备的激光颜色可以不同于退出的颜色。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，入射到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）。

　　在之前的工作中，该团队证明了这种称为光学参量振荡的转换过程可以发生在氮化硅微谐振器内，这是一种小到可以在芯片上制造的环形设备。光绕着环跑了大约 5,000 圈，为氮化硅建立了足够高的强度，将其转换为两种不同的频率。然后将这两种颜色耦合到一个直的矩形通道中，该通道也由氮化硅制成，位于环附近，充当传输线或波导，将光传输到需要的地方。

　　产生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，因此该技术可在单个芯片上提供多种输出颜色，所有这些都使用相同的输入激光。

　　然而，Srinivasan 和他的同事，包括来自 NIST 和马里兰大学合作的联合量子研究所 (JQI) 的研究人员，发现这个过程非常低效。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。该团队将大部分低效率归因于环和波导之间的不良耦合。

　　在第一项研究中，Srinivasan 和他的 NIST/JQI 合作者（由 Jordan Stone 领导）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，是他们早期实验中数量的 150 多倍。此外，转换后的光在从可见光到近红外的广泛波长范围内拥有超过 1 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。例如，它可以使微型激光激发电子从原子内部的一个特定能级跃迁或跃迁到另一个能级。激发这些跃迁是从单个原子或类原子系统（如量子点）生成光的量子态（如单光子态）的常用协议的一部分。

　　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影响不敏感的跃迁能量，因此提供了一个很好的参考，可以通过它比较和校正激光频率，最终改善其噪声特性。

　　研究人员在 2022 年 12 月 2 日出版的APL Photonics上报告了他们的结果。

　　在第二项研究中，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并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颜色. 虽然这项研究中的颜色仅限于近红外线，但该团队计划将他们的工作扩展到可见波长。

　　研究人员在 2023 年 1 月 16 日出版的Nature Communications上报告了他们的发现。