[PHYS ORG] 향상된 칩 스케일 색상 변환 레이저는 많은 차세대 양자 장치를 가능하게 할 수 있습니다.

두 가지 새로운 연구에서 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 연구원들은 모두 동일한 입력 레이저 소스를 사용하면서 서로 다른 색상의 레이저 광을 생성하는 일련의 칩 크기 장치의 효율성과 전력 출력을 크게 개선했습니다.

많은 양자 기술, 소형 광학 원자 시계 및 미래의 양자 컴퓨터를 포함하여 작은 공간 영역 내에서 광범위하게 변화하는 여러 레이저 색상에 동시에 액세스해야 합니다. 예를 들어, 원자 준비, 냉각, 에너지 상태 판독, 양자 논리 연산 수행을 포함하여 양자 계산을 위한 선도적인 원자 기반 설계에 필요한 모든 단계에 최대 6개의 서로 다른 레이저 색상이 필요합니다.

NIST 연구원인 Kartik Srinivasan과 그의 동료들은 하나의 칩에 여러 레이저 색상을 생성하기 위해 지난 몇 년 동안 질화규소로 만든 것과 같은 비선형 광학 장치를 연구했습니다. 나오는 색상과 다릅니다. 그들의 실험에서 들어오는 빛은 두 가지 다른 주파수에 해당하는 두 가지 다른 색상으로 변환됩니다. 예를 들어, 재료에 입사하는 근적외선 레이저 광은 더 짧은 파장의 가시 레이저 광(소스보다 높은 주파수)과 더 긴 파장의 적외선 레이저 광(더 낮은 주파수)으로 변환됩니다.

이전 작업에서 팀은 이것이 전환 과정광학 파라메트릭 발진으로 알려진 , 실리콘 질화물 내에서 발생할 수 있습니다. 미세공진기, 칩에 제작할 수 있을 만큼 작은 고리 모양의 장치입니다. 빛은 고리 주위를 약 5,000번 돌며 질화 규소가 그것을 두 가지 다른 주파수로 변환할 수 있을 만큼 충분히 높은 강도를 만듭니다. 그런 다음 두 가지 색상은 링에 인접해 있고 전송선 역할을 하는 질화규소로 만들어진 직선형 직사각형 채널에 결합됩니다. 도파관필요한 곳에 빛을 운반합니다.

생성되는 특정 색상은 마이크로 공진기의 크기와 입력 레이저 광의 색상에 따라 결정됩니다. 제조 공정 중에 치수가 약간 다른 많은 다른 마이크로 공진기가 생성되기 때문에 이 기술은 모두 동일한 입력 레이저를 사용하여 단일 칩에서 광범위한 출력 색상에 대한 액세스를 제공합니다.

그러나 Srinivasan과 그의 동료들은 NIST와 메릴랜드 대학 사이의 공동 양자 연구소(Joint Quantum Institute, JQI)의 연구원을 포함하여 이 프로세스가 매우 비효율적이라는 것을 발견했습니다. 입력 레이저 광의 0.1% 미만이 도파관에서 이동하는 두 가지 출력 색상 중 하나로 변환되었습니다. 팀은 대부분의 비효율성을 링과 도파관 사이의 결합 불량으로 추적했습니다.

첫 번째 연구에서 Jordan Stone이 이끄는 Srinivasan과 그의 NIST/JQI 공동 작업자는 직선 도파관을 U자형으로 재설계하고 링의 일부를 감쌌습니다. 이 수정을 통해 연구원들은 들어오는 빛의 약 15%를 원하는 출력 색상으로 변환할 수 있었으며 이는 이전 실험에서보다 150배 이상 많은 양입니다. 또한 변환된 빛은 가시광선에서 근적외선에 이르는 광범위한 파장에 걸쳐 1밀리와트 이상의 전력을 가졌습니다.

1밀리와트의 전력을 생성하는 것은 이정표라고 Srinivasan은 말했습니다. 왜냐하면 그 양은 일반적으로 여러 애플리케이션에 충분하기 때문입니다. 예를 들어, 그것은 작은 레이저가 전자를 여기시켜 원자 내부의 특정 에너지 수준에서 다른 에너지 수준으로 점프하거나 전이하도록 할 수 있습니다. 이러한 전이를 흥미롭게 하는 것은 다음과 같은 단일 원자 또는 원자와 같은 시스템에서 단일 광자 상태와 같은 빛의 양자 상태를 생성하기 위한 일반적인 프로토콜의 일부입니다. 양자점.

또한 레이저 안정화에는 밀리와트 전력 수준으로도 충분할 수 있습니다. 일부 원자는 매우 안정적이고 환경 영향에 둔감한 전이 에너지를 가지고 있어 결과적으로 레이저 주파수를 비교하고 수정하여 궁극적으로 노이즈 특성을 개선할 수 있는 좋은 기준을 제공합니다.

연구원들은 2022년 12월 2일자 APL 포토닉스.

두 번째 연구에서 Edgar Perez가 이끄는 Srinivasan과 그의 동료들은 이 기술의 출력과 효율성을 더욱 향상시켰습니다. 링과 도파관 사이의 결합을 높이고 색상 변환을 방해할 수 있는 효과를 억제함으로써 팀은 출력 레이저 출력을 최대 20밀리와트로 높이고 입사의 29%를 변환했습니다. 레이저 빛 출력 색상에. 이 연구의 색상은 근적외선에 국한되었지만 팀은 작업을 가시 파장으로 확장할 계획입니다.

연구원들은 2023년 1월 16일자 네이처 커뮤니케이션즈.

이 이야기는 NIST의 호의로 다시 출판되었습니다. 오리지널 스토리 읽기 여기.