Усовершенствованные лазеры преобразования цвета в масштабе чипа могут позволить создать множество квантовых устройств следующего поколения.
В двух новых исследованиях исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) значительно улучшили эффективность и выходную мощность серии устройств размером с чип, которые генерируют лазерный свет разных цветов, используя один и тот же входной лазерный источник.
Многие квантовые технологии , в том числе миниатюрные оптические атомные часы и будущие квантовые компьютеры, потребуют одновременного доступа к множеству широко варьирующихся цветов лазера в небольшой области пространства. Например, требуется до шести различных цветов лазера для всех шагов, необходимых для ведущей атомной конструкции для квантовых вычислений, включая подготовку атомов, их охлаждение, считывание их энергетического состояния и выполнение квантово-логических операций.
Чтобы создать несколько цветов лазера на одном чипе, исследователь NIST Картик Шринивасан и его коллеги провели последние несколько лет, изучая нелинейные оптические устройства, такие как сделанные из нитрида кремния, которые обладают особым свойством: цвет лазерного света, попадающего в устройство, может отличаться от цвета на выходе. В их эксперименте входящий свет преобразуется в два разных цвета, которые соответствуют двум разным частотам. Например, лазерный свет ближнего инфракрасного диапазона, падающий на материал, преобразуется в видимый лазерный свет с более короткой длиной волны (с более высокой частотой, чем источник) и инфракрасный лазерный свет с более длинной длиной волны (с более низкой частотой).
В предыдущей работе команда продемонстрировала, что этот процесс преобразования , известный как оптические параметрические колебания, может происходить в микрорезонаторе из нитрида кремния , кольцеобразном устройстве, достаточно маленьком, чтобы его можно было изготовить на микросхеме. Свет проходит по кольцу около 5000 раз, создавая достаточно высокую интенсивность, чтобы нитрид кремния мог преобразовать его в две разные частоты. Затем два цвета соединяются в прямой прямоугольный канал, также сделанный из нитрида кремния, который примыкает к кольцу и действует как линия передачи или волновод , транспортируя свет туда, где он необходим.
Конкретные генерируемые цвета определяются размерами микрорезонатора, а также цветом входного лазерного излучения. Поскольку в процессе изготовления создается много разных микрорезонаторов с немного разными размерами, этот метод обеспечивает доступ к широкому диапазону выходных цветов на одном чипе с использованием одного и того же входного лазера.
Однако Шринивасан и его коллеги, в том числе исследователи из Объединенного квантового института (JQI), созданного совместно NIST и Мэрилендским университетом, обнаружили, что этот процесс крайне неэффективен. Гораздо менее 0,1 процента входного лазерного излучения преобразовывалось в любой из двух выходных цветов, проходящих по волноводу. Команда проследила большую часть неэффективности из-за плохой связи между кольцом и волноводом.
В первом исследовании Шринивасан и его сотрудники из NIST/JQI под руководством Джордана Стоуна изменили конструкцию прямого волновода так, чтобы он имел U-образную форму и охватывал часть кольца. С помощью этой модификации исследователи смогли преобразовать около 15 процентов входящего света в желаемые выходные цвета, что более чем в 150 раз больше, чем в их предыдущем эксперименте. Кроме того, преобразованный свет обладал мощностью более одного милливатт в широком диапазоне длин волн, от видимого до ближнего инфракрасного.
По словам Шринивасана, выработка милливатта энергии является важной вехой, потому что этого количества обычно достаточно для нескольких приложений. Например, крошечный лазер может заставить электроны прыгать или переходить с одного определенного энергетического уровня на другой внутри атома. Возбуждение этих переходов является частью общих протоколов для генерации квантовых состояний света, таких как однофотонные состояния, из отдельных атомов или атомоподобных систем, таких как квантовые точки.
Кроме того, для стабилизации лазера может быть достаточно милливаттной мощности. Энергии перехода некоторых атомов очень стабильны и нечувствительны к воздействиям окружающей среды, и в результате они обеспечивают хороший эталон, по которому можно сравнивать и корректировать частоту лазера, что в конечном итоге улучшает его шумовые свойства.
Исследователи сообщили о своих результатах в выпуске APL Photonics от 2 декабря 2022 года .
Во втором исследовании Шринивасан и его коллеги под руководством Эдгара Переса еще больше улучшили выходную мощность и эффективность техники. Увеличивая связь между кольцом и волноводом и подавляя эффекты, которые могут мешать преобразованию цвета, команда увеличила выходную мощность лазера до 20 милливатт и преобразовала до 29 процентов падающего лазерного света в выходной цвет. Хотя цвета в этом исследовании были ограничены ближним инфракрасным диапазоном, команда планирует расширить свою работу до видимых длин волн.
Исследователи сообщили о своих выводах в выпуске журнала Nature Communications от 16 января 2023 года.
