科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

美國(guó)馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)換為紅、綠、藍(lán)三色光，無(wú)需任何主動(dòng)控制或反復(fù)優(yōu)化即可穩(wěn)定工作。這一突破技術(shù)為研究量子計(jì)算、高精度頻率測(cè)量及光學(xué)計(jì)量提供了新工具。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《科學(xué)》雜志。

傳統(tǒng)光子器件雖可捕捉和操控光子，實(shí)現(xiàn)光子流的分離、引導(dǎo)、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(shí)現(xiàn)這一功能依賴特殊的非線性光－物質(zhì)相互作用。但非線性效應(yīng)非常微弱，為增強(qiáng)效果，科學(xué)家使用光子諧振器讓光在芯片中循環(huán)多次，弱效應(yīng)疊加即可形成明顯效果。不過(guò)，單一諧振器生成多種頻率仍存在局限。

此前，團(tuán)隊(duì)提出使用微小諧振器陣列協(xié)同工作的方法，通過(guò)數(shù)百個(gè)微環(huán)組成的陣列放大非線性效應(yīng)，引導(dǎo)光沿邊緣傳播，并可將脈沖激光轉(zhuǎn)化為多頻率光。在最新研究中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)陣列本身就能提高頻率轉(zhuǎn)換的成功率，無(wú)需主動(dòng)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)顯示，6塊同一晶圓上的芯片在輸入標(biāo)準(zhǔn)190THz激光后，均產(chǎn)生二、三、四次諧波光，對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)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(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)換條件，相當(dāng)于被動(dòng)實(shí)現(xiàn)匹配。隨著輸入光強(qiáng)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(duì)光學(xué)計(jì)量、頻率轉(zhuǎn)換和非線性光學(xué)計(jì)算中等領(lǐng)域具有廣泛影響，無(wú)需主動(dòng)調(diào)節(jié)即可高效工作，為芯片光源的多功能、批量化應(yīng)用提供了新思路。