光子芯片實現(xiàn)毫瓦級紫外光輸出
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荷蘭特文特大學(xué)與美國哈佛大學(xué)聯(lián)合研究團隊研發(fā)出一種側(cè)壁極化鈮酸鋰波導(dǎo)方法,在光子芯片上實現(xiàn)了毫瓦級紫外光輸出,功率較以往提升逾百倍,首次讓芯片級紫外光源跨入可用門檻。這項成果有望為量子技術(shù)、光學(xué)原子鐘、精密測量與高端顯微開辟新的集成化道路。相關(guān)論文已發(fā)表于最新一期《自然·通訊》雜志。
集成光源雖為現(xiàn)代科技的基石,不同應(yīng)用卻需要不同顏色的光。譬如數(shù)據(jù)以紅外光的形式在光纖中穿梭,而傳感與量子計算則需要可見光乃至紫外光波段。目前,科學(xué)家主要利用芯片產(chǎn)生波長較長的光,對于紫外光等短波光則力有不逮。
團隊另辟蹊徑,從相對易得的紅光起步,借助非線性轉(zhuǎn)換讓兩個紅光光子“變身”為一個紫外光子。此前這種片上轉(zhuǎn)換效率極低,所得紫外光幾乎不可用。新方法一舉將產(chǎn)生的紫外光推至數(shù)毫瓦,約為舊有紀(jì)錄的百倍。
核心器件由薄膜鈮酸鋰精心雕琢而成。集成薄膜鈮酸鋰光子平臺雖蘊含產(chǎn)生紫外光的潛力,但傳播損耗高,加之缺乏可靠手段將厘米長度、短極化周期的波導(dǎo)穩(wěn)固于芯片上,所以很難產(chǎn)生有效的紫外光。
為攻克這一難題,團隊打造出一款長約2厘米的特異波導(dǎo)。他們以原子直徑的精度測量波導(dǎo)形狀,沿波導(dǎo)側(cè)壁布設(shè)電極,以每毫米上千次的頻率周期性地翻轉(zhuǎn)材料晶格取向。交流電壓沿波導(dǎo)打開和關(guān)閉,雕刻出光頻轉(zhuǎn)換所需的精密圖紋。每個波導(dǎo)上約10000個電極,無一雷同,依波導(dǎo)各點確切形態(tài)“量身定制”而成,能有效地將紅光轉(zhuǎn)化為紫外光。
相對于眼下仍顯龐大、昂貴且難于擴展的諸多技術(shù)而言,這一成果具有重要意義。例如在量子計算中,若想擴大量子系統(tǒng)的規(guī)模,片上光源是必由之路。此外,光學(xué)原子鐘精確性極高,能感知重力的微小差異,如果將其縮小至芯片尺寸,可搭載于衛(wèi)星上,進一步擴大其實用場景。
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