迪娜·根基纳，联合量子研究所 一种新的光子芯片可以使用直径23微米的圆环将入射光的频率加倍
这种环是为产生和保持输入频率和二次谐波(2f)的光而定制的——就像钢琴弦或电子管可以容纳单音谐波一样
这种颜色表示光场的波峰和波谷，类似于钢琴弦响起时的位移模式
信用:西苑路/NIST和UMD 数字时代见证了包括计算机芯片在内的电子产品以惊人的速度缩小，越来越小的芯片为智能手机、笔记本电脑甚至无人驾驶飞机等设备提供动力
随着这一进步，另一种微型技术也获得了发展:集成光子学
光子是光的量子粒子，比电子(电子学的代名词)有一些优势
对于某些应用，光子提供了更快、更准确的信息传递，并且比电子消耗更少的能量
由于片上光子学主要是使用为电子行业创造的相同技术构建的，它们有望将电子和光子学集成在同一个芯片上
微型光子芯片已经在许多地方被采用，包括电信网络(想想光纤互联网)和大型数据中心(想想光纤与电子设备的接口)
随着自动驾驶汽车制造商开发基于光的雷达芯片，其他行业正处于从光子学中获益的边缘
然而，许多在传统光学中已经建立的工具——使用激光、透镜和其他笨重设备的东西——还没有紧凑的光子模拟
对于未来的工具，如基于光的量子计算机或便携式光学时钟，还需要做更多的工作来将所有东西打包在一起
现在，JQI大学的研究人员为光子学工具包添加了一个新工具:一种使用硅的方法，硅是许多数字电子和光子学的天然材料，可以有效地将激光频率提高一倍
通过结合两种现有技术，该团队实现了比以前硅化合物实验高出100倍的倍频效率
他们在《自然光子学》杂志上发表的一篇论文中详细描述了他们的结果
光波是由光子组成的，但它们也带有频率
我们的眼睛将这些频率的一小部分视为彩虹的颜色，但是微波、x光和无线电波(以及其他)也存在于这个光谱中
将光的频率加倍是在这些不同范围之间转换的一种方式
在新的工作中，该团队展示了红外光(通常用于光学电信)与红光(非常精确的原子钟的语言)的倍增
当光与它所穿过的介质(空气、水或硅)相互作用时，就会产生倍频效应
根据这些材料的特性，一点点的光可以被加倍、三倍，或者在极端情况下，被倍增到更高的程度，就像一个音符也产生一点点声音，一个、两个或几个八度
通过选择正确的材料，并以正确的方式照亮它，研究人员可以得到他们需要的和谐
不幸的是，硅和硅化合物——由于硅制造的成熟和易于与电子器件集成，它们是在芯片上传输光的首选材料——本质上不支持倍频
晶体结构太均匀，意味着它在各个方向看起来都一样
这阻止了倍增效应，倍增效应依赖于材料中的电子在光的影响下向一个方向移动多于另一个方向
但是一旦光被限制在芯片上的一个微小的轨迹上，事情就变得不那么一致了:毕竟，空气总是在附近，它看起来一点也不像硅晶体
因此，确实会产生少量的倍频光，但通常是不够有用的
在这项新研究中，由国家标准与技术研究院(NIST)研究员JQI·费洛克·斯里尼瓦桑和NIST及UMD博士后研究员陆希源领导的团队，将两项先前探索的技术结合起来，利用这种微小的效应，产生了比以往任何硅实验都多100倍的倍频光
此外，它们的倍增发生在效率为22%的情况下，这足以在应用中有用
第一个技巧是在谐振器中捕捉光线，使光线一圈又一圈地旋转，一遍又一遍地触发微小的倍增效应
为此，研究人员首先将近红外激光导入光纤
然后，光纤将光线射入印刷在硅片上的氮化硅波导
这个波导管通向另一个波导管，它被包裹成一个直径只有23微米的圆
圆形谐振器被设计成捕捉入射光并使其循环，允许一点点倍频一遍又一遍地发生
在谐振器的另一边，另一个直波导被调谐以带走倍频光
第二个技巧是通过用电场偏置硅来降低硅的均匀性
幸运的是，实际上不需要外部场——少量的倍频光，加上原始的红外泵浦光，导致谐振器中的电子聚集在边缘，产生恒定的电场
这个场极大地增强了氮化硅的倍频能力
“这是一个反馈过程，”斯里尼瓦桑说，“因为一点点倍频光和泵浦光开始产生恒定的电场，使倍频过程更强，从而产生更多的倍频光
所以泵浦光和倍频光都在这个环中循环，有一种巨大的能力可以把一开始非常弱的东西带走，然后实际上产生一种非常强的效果
" 让这两种效果在同一个设备中工作并不容易
不仅谐振器环需要正好合适的尺寸来捕获泵浦和倍频光，光还需要在谐振器中以正确的方式叠加
为了实现这一点，需要在一个干净的房间里进行详细的模拟和精确的制造
但是一旦这样一个精确的装置被制造出来，你所需要做的就是发送泵浦光，并观察输出端的倍频光
“为了实现光和材料之间的有效相互作用，不同颜色的光必须存活很长时间，并且以完全相同的速度移动，”卢说，“我们的设备将这两个关键因素应用到光诱导倍频中，这大大提高了这个过程的功率效率。”
" 该设备是实现便携式、超精密原子钟的漫长探索中的又一步
斯里尼瓦桑说:“这些光学时钟是令人惊叹的计时设备，但通常它们都在一个大实验室里。”
“如果它可以装在一个小包装里，它可以装在汽车、无人机或其他交通工具上
计时是许多重要导航应用的基础，现在，大多数情况下，人们都依赖全球定位系统信号
但是有各种各样的可能性，可能有什么东西挡着路，你不能获取那些信号，或者有人欺骗了信号
因此，在你需要全球定位系统的同步信号之前，有一个便携式的计时仪器可以给你长时间准确的时间是有意义的
" 虽然它不是节目的主角，但倍频是光学原子钟的必要组成部分
这些时钟产生非常规则的节拍，但是光频率为每秒数百万亿光场振荡
传统的电子设备不能直接与信号接口，所以为了将这种精度降低到可理解的频率(每秒仅数十亿次振荡)，科学家使用频率梳——频率“齿”间隔完全规则的激光源，这项发明获得了2005年诺贝尔物理学奖
为了有用，这些频率梳需要校准——梳中的每一个齿都需要标上特定的频率值
最简单也是最常见的校准方法是取梳子中最低的一个齿，频率加倍，然后与最高的一个齿进行比较:这就给出了最低齿的频率
除了简单测量牙齿间距，科学家还可以用它来推断每颗牙齿的精确频率
最近，芯片上的几个原子钟，包括微型原子蒸汽电池和芯片上的频率梳，已经在硅基光子学中实现
然而，倍频校准以前是用体积庞大的光学器件或使用与硅不太兼容的材料来完成的
“至少在概念上，”斯里尼瓦桑说，“我们离真正紧凑的封装中的校准频率梳又近了一步
要真正把这些东西放在一起，还有很多工作要做，但是我们比以前更接近一个紧凑的光学原子钟
"
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