荷蘭特文特大學(xué)與美國(guó)哈佛大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種側(cè)壁極化鈮酸鋰波導(dǎo)方法，在光子芯片上實(shí)現(xiàn)了毫瓦級(jí)紫外光輸出，功率較以往提升逾百倍，首次讓芯片級(jí)紫外光源跨入可用門(mén)檻。這項(xiàng)成果有望為量子技術(shù)、光學(xué)原子鐘、精密測(cè)量與高端顯微開(kāi)辟新的集成化道路。相關(guān)論文已發(fā)表于最新一期《自然·通訊》雜志。

集成光源雖為現(xiàn)代科技的基石，不同應(yīng)用卻需要不同顏色的光。譬如數(shù)據(jù)以紅外光的形式在光纖中穿梭，而傳感與量子計(jì)算則需要可見(jiàn)光乃至紫外光波段。目前，科學(xué)家主要利用芯片產(chǎn)生波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光，對(duì)于紫外光等短波光則力有不逮。

團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，從相對(duì)易得的紅光起步，借助非線(xiàn)性轉(zhuǎn)換讓兩個(gè)紅光光子“變身”為一個(gè)紫外光子。此前這種片上轉(zhuǎn)換效率極低，所得紫外光幾乎不可用。新方法一舉將產(chǎn)生的紫外光推至數(shù)毫瓦，約為舊有紀(jì)錄的百倍。

核心器件由薄膜鈮酸鋰精心雕琢而成。集成薄膜鈮酸鋰光子平臺(tái)雖蘊(yùn)含產(chǎn)生紫外光的潛力，但傳播損耗高，加之缺乏可靠手段將厘米長(zhǎng)度、短極化周期的波導(dǎo)穩(wěn)固于芯片上，所以很難產(chǎn)生有效的紫外光。

為攻克這一難題，團(tuán)隊(duì)打造出一款長(zhǎng)約2厘米的特異波導(dǎo)。他們以原子直徑的精度測(cè)量波導(dǎo)形狀，沿波導(dǎo)側(cè)壁布設(shè)電極，以每毫米上千次的頻率周期性地翻轉(zhuǎn)材料晶格取向。交流電壓沿波導(dǎo)打開(kāi)和關(guān)閉，雕刻出光頻轉(zhuǎn)換所需的精密圖紋。每個(gè)波導(dǎo)上約10000個(gè)電極，無(wú)一雷同，依波導(dǎo)各點(diǎn)確切形態(tài)“量身定制”而成，能有效地將紅光轉(zhuǎn)化為紫外光。

相對(duì)于眼下仍顯龐大、昂貴且難于擴(kuò)展的諸多技術(shù)而言，這一成果具有重要意義。例如在量子計(jì)算中，若想擴(kuò)大量子系統(tǒng)的規(guī)模，片上光源是必由之路。此外，光學(xué)原子鐘精確性極高，能感知重力的微小差異，如果將其縮小至芯片尺寸，可搭載于衛(wèi)星上，進(jìn)一步擴(kuò)大其實(shí)用場(chǎng)景。