In zwei neuen Studien haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) die Effizienz und Leistungsabgabe einer Reihe von Chip-Scale-Geräten, die Laserlicht in verschiedenen Farben erzeugen, während sie alle dieselbe Eingangslaserquelle verwenden, erheblich verbessert.
Viele Quantentechnologien, einschließlich optischer Miniatur-Atomuhren und zukünftiger Quantencomputer, werden den gleichzeitigen Zugriff auf mehrere, stark variierende Laserfarben innerhalb eines kleinen Raumbereichs erfordern. Beispielsweise werden bis zu sechs verschiedene Laserfarben für alle Schritte benötigt, die für ein führendes atombasiertes Design für die Quantenberechnung erforderlich sind, einschließlich der Vorbereitung der Atome, ihrer Kühlung, dem Auslesen ihrer Energiezustände und der Durchführung von quantenlogischen Operationen.
Um mehrere Laserfarben auf einem Chip zu erzeugen, haben der NIST-Forscher Kartik Srinivasan und seine Kollegen in den letzten Jahren nichtlineare optische Geräte untersucht, beispielsweise solche aus Siliziumnitrid, die eine besondere Eigenschaft haben: Die Farbe des in das Gerät eintretenden Laserlichts kann unterscheiden sich von der Farbe, die austritt. In ihrem Experiment wird einfallendes Licht in zwei verschiedene Farben umgewandelt – die zwei verschiedenen Frequenzen entsprechen. Beispielsweise wird auf das Material einfallendes Laserlicht im nahen Infrarot in sichtbares Laserlicht mit kürzerer Wellenlänge (mit höherer Frequenz als die Quelle) und infrarotes Laserlicht mit längerer Wellenlänge (mit niedrigerer Frequenz) umgewandelt.
In früheren Arbeiten demonstrierte das Team, dass dieser Umwandlungsprozess, bekannt als optische parametrische Oszillation, in einem Siliziumnitrid-Mikroresonator stattfinden kann, einem ringförmigen Gerät, das klein genug ist, um auf einem Chip hergestellt zu werden. Das Licht rast etwa 5.000 Mal um den Ring und baut eine Intensität auf, die hoch genug ist, damit das Siliziumnitrid es in die beiden unterschiedlichen Frequenzen umwandeln kann. Die beiden Farben werden dann in einen geraden rechteckigen Kanal eingekoppelt, der ebenfalls aus Siliziumnitrid besteht und neben dem Ring liegt und als Übertragungsleitung oder Wellenleiter fungiert und das Licht dorthin transportiert, wo es benötigt wird.
Die spezifischen erzeugten Farben werden durch die Abmessungen des Mikroresonators sowie die Farbe des einfallenden Laserlichts bestimmt. Da während des Herstellungsprozesses viele verschiedene Mikroresonatoren mit leicht unterschiedlichen Abmessungen hergestellt werden, bietet die Technik Zugriff auf eine breite Palette von Ausgangsfarben auf einem einzigen Chip, die alle denselben Eingangslaser verwenden.
Srinivasan und seine Kollegen, zu denen auch Forscher des Joint Quantum Institute (JQI), einer Zusammenarbeit zwischen NIST und der University of Maryland, gehören, stellten jedoch fest, dass der Prozess höchst ineffizient war. Viel weniger als 0,1 Prozent des Eingangslaserlichts wurde in eine der beiden Ausgangsfarben umgewandelt, die im Wellenleiter wanderten. Das Team führte den größten Teil der Ineffizienz auf eine schlechte Kopplung zwischen dem Ring und dem Wellenleiter zurück.
In der ersten Studie haben Srinivasan und seine NIST/JQI-Mitarbeiter unter der Leitung von Jordan Stone den geraden Wellenleiter so umgestaltet, dass er U-förmig war und sich um einen Teil des Rings wickelte. Mit dieser Modifikation konnten die Forscher etwa 15 Prozent des einfallenden Lichts in die gewünschten Ausgabefarben umwandeln, mehr als das 150-fache der Menge in ihrem früheren Experiment. Darüber hinaus verfügte das umgewandelte Licht über eine Leistung von mehr als einem Milliwatt über einen breiten Wellenlängenbereich, vom sichtbaren bis zum nahen Infrarot.
Die Erzeugung von einem Milliwatt Leistung sei ein Meilenstein, sagte Srinivasan, denn diese Menge reiche normalerweise für mehrere Anwendungen. Beispielsweise kann es einem winzigen Laser ermöglichen, Elektronen zum Springen oder Übergang von einem bestimmten Energieniveau zu einem anderen innerhalb eines Atoms anzuregen. Das Anregen dieser Übergänge ist Teil gängiger Protokolle zur Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts, wie z. B. Einzelphotonenzustände, aus einzelnen Atomen oder atomähnlichen Systemen wie Quantenpunkten.
Außerdem können Leistungspegel im Milliwattbereich für die Laserstabilisierung ausreichen. Einige Atome haben Übergangsenergien, die sehr stabil und unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen sind, und bieten daher eine gute Referenz, mit der eine Laserfrequenz verglichen und korrigiert werden kann, wodurch letztendlich ihre Rauscheigenschaften verbessert werden.
Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 2. Dezember 2022 APL Photonik.
In der zweiten Studie verbesserten Srinivasan und seine Kollegen unter der Leitung von Edgar Perez die Leistungsabgabe und Effizienz der Technik noch weiter. Durch die Erhöhung der Kopplung zwischen dem Ring und dem Wellenleiter und die Unterdrückung von Effekten, die die Farbumwandlung stören könnten, erhöhte das Team die Ausgangslaserleistung auf bis zu 20 Milliwatt und wandelte bis zu 29 Prozent des einfallenden Laserlichts in die Ausgangsfarbe um . Obwohl die Farben in dieser Studie auf das nahe Infrarot beschränkt waren, plant das Team, seine Arbeit auf sichtbare Wellenlängen auszudehnen.
Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 16. Januar 2023 Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Edgar F. Perez et al., Optischer parametrischer Hochleistungsoszillator für Kerr-Mikroresonatoren auf einem Siliziumchip, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-022-35746-9
Jordan R. Stone et al, Effiziente chipbasierte optische parametrische Oszillatoren von 590 bis 1150 nm, APL Photonik (2022). DOI: 10.1063/5.0117691
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST neu veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte Hier.