美国马里兰大学研究团队研制出一种新型光子芯片。这种光子器件可将单色激光光源被动转换为红、绿、蓝三色光，无需任何主动控制或反复优化即可稳定工作。这一突破技术为研究量子计算、高精度频率测量及光学计量提供了新工具。相关成果发表于新一期《科学》杂志。
传统光子器件虽可捕捉和操控光子，实现光子流的分离、引导、放大和干涉，但功能有限且难以批量稳定生产。与普通棱镜只分解光色不同，芯片如果能直接产生输入光中原本不存在的新频率，不仅节省额外激光器占用的空间和能量，还能产生目前尚不存在的光频率。
研究人员设计并测试了一种新型芯片，该芯片能够可靠地将一种颜色的光，该芯片由一系列环形结构组成，每个环形结构都是一个谐振器，可使光循环数十万次甚至数百万次，从而确保入射光与芯片之间的相互作用能够使其频率翻倍、三倍甚至四倍。图片来源：美国马里兰大学联合量子研究所
研究人员设计并测试了一种新型芯片，该芯片能够可靠地将一种颜色的光（如上图左下角的橙色脉冲所示）转换为多种颜色的光（如右下角从芯片射出的红色、绿色、蓝色和深灰色脉冲所示）。该芯片由一系列环形结构组成，每个环形结构都是一个谐振器，可使光循环数十万次甚至数百万次，从而确保入射光与芯片之间的相互作用能够使其频率翻倍、三倍甚至四倍。图片来源：美国马里兰大学联合量子研究所
实现这一功能依赖特殊的非线性光－物质相互作用。但非线性效应非常微弱，为增强效果，科学家使用光子谐振器让光在芯片中循环多次，弱效应叠加即可形成明显效果。不过，单一谐振器生成多种频率仍存在局限。
此前，团队提出使用微小谐振器阵列协同工作的方法，通过数百个微环组成的阵列放大非线性效应，引导光沿边缘传播，并可将脉冲激光转化为多频率光。在最新研究中，团队发现阵列本身就能提高频率转换的成功率，无需主动调节。实验显示，6块同一晶圆上的芯片在输入标准190THz激光后，均产生二、三、四次谐波光，对应红、绿、蓝三色光。而3块单环芯片即便使用嵌入式加热器，也仅一块在有限条件下产生二次谐波。
团队表示，阵列中小环和“超环”之间的不同循环速度，使光在芯片中更容易满足转换条件，相当于被动实现匹配。随着输入光强度增加，芯片还能生成更多频率光，类似此前的多频率光效果。
这一方法对光学计量、频率转换和非线性光学计算中等领域具有广泛影响，无需主动调节即可高效工作，为芯片光源的多功能、批量化应用提供了新思路。
