光子芯片实现百倍增辐毫瓦级紫外光

特文特大学和哈佛大学的研究人员开发出一种在光子芯片上产生紫外线（UV）光的新方法，其功率水平足以投入实际应用。该技术首次在芯片上产生毫瓦级紫外线光，对量子技术、光学原子钟以及先进测量设备而言是重要一步。这项研究发表在《自然・通讯》期刊上。

集成光源对现代技术至关重要。例如，数据以红外光的形式在光纤中传输。但传感和量子计算等其他应用则需要可见光或紫外线。到目前为止，芯片主要适用于较长波长。“每种应用都需要特定颜色的光，” 该研究作者之一Kees Franken表示，“而在紫外线这类短波长下，集成光源的质量一直不够理想。”

从红光到紫外：两个光子合为一个

研究人员通过巧妙的转换过程解决了这一问题。他们以红光为起点， 并将其转换为紫外线，多年来在芯片上产生红光已相对容易。在该过程中，两个红光光子转换为一个紫外线光子。此前，这种方法在芯片上仅能产生极微弱的光输出。本研究首次产生了具有实用价值的紫外线光：数毫瓦，大约是以往研究成果的一百倍。

材料：薄膜铌酸锂

该团队使用了薄膜铌酸锂。这种材料的芯片级版本由哈佛大学的一个团队率先研发，本次研究也在该校开展。近年来，这种材料因其独特性能受到了广泛关注。利用该材料，研究人员构建了一种特殊的波导：芯片上一种纳米级结构，用于引导和约束光线。他们对总长近两厘米的波导进行了全程调控。为此，他们首先以数十个原子直径的精度测量了其形状。

通过在波导两侧设置电极，该团队使材料的晶体结构方向周期性反转，频率可达每毫米上千次。沿波导交替通断电压形成了能够实现光转换的结构。每条波导上约一万个电极均为独立设计，与芯片上对应位置的波导精确形状相匹配。

在早期研究中，电极与波导之间存在一定距离。“在我们的设计中，电极直接位于波导之上，”Kees Franken说，“这需要在数厘米长的芯片上实现精度为 50 纳米的制造工艺。但这让我们的控制能力大幅提升，红光到紫外的转换效率也高得多。”

从量子计算机到光学原子钟

这一成果对目前仍体积庞大、成本高昂且难以规模化的技术尤为重要，量子计算机就是典型例子。“如果想让这类系统实现规模化，就需要片上集成光源，”Kees Franken表示。光学原子钟也是如此，其精度极高，甚至可以探测重力差异。将其集成在芯片上可使其变得紧凑实用，例如用于卫星。

该技术并非只停留在学术论文阶段。相关核心技术已由特文特大学的衍生公司Sabratha申请专利保护。这家初创公司专注于薄膜铌酸锂，并致力于将这类光子芯片规模化，应用于电信和无线通信领域。