在单个芯片上操纵多个激光器，用于新一代量子器件

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NIST研究人员设计并制造了这种片上系统，以塑造多个激光束（蓝色箭头）并在光被发送到太空与设备或材料相互作用之前控制它们的偏振。三个组件都有助于操纵激光束：消逝耦合器 （EVC），将光从一个设备耦合到另一个设备;Metagrating（MG），一个印有数百万个小孔的微小表面，这些孔像大尺度衍射光栅一样散射光;以及超表面（MS），一个镶嵌着数百万根柱子的小玻璃表面，用作透镜。来源：NIST

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发了芯片级设备，用于同时操纵多束激光的颜色、焦点、行进方向和偏振。

使用单个芯片定制这些属性的能力对于制造新型便携式传感器至关重要，这些传感器可以在实验室范围之外以前所未有的精度测量旋转、加速度、时间和磁场等基本量。

通常，需要像餐桌一样大的实验室工作台来容纳各种透镜、偏振片、镜子和其他操纵单束激光所需的设备。然而，许多量子技术，包括微型光学原子钟和一些未来的量子计算机，将需要在一小块空间区域内同时访问多种广泛变化的激光颜色。

为了解决这个问题，NIST科学家弗拉基米尔·阿克修克（Vladimir Aksyuk）和他的同事结合了两种芯片级技术：集成光子电路，它使用微小的透明通道和其他微尺度组件来引导光线;以及称为光学超表面的非常规光学器件的来源。这种表面由印有数百万个微小结构的玻璃晶圆组成，这些结构的高度只有千亿分之一米，可以在不需要笨重的光学器件的情况下操纵光的特性。

Aksyuk和他的合作者证明，单个光子芯片完成了36个光学组件的工作，同时控制了12个激光束的方向，焦点和偏振（光波在传播时振动的平面），分为四种不同的颜色。

该团队还表明，这种微小的芯片可以引导两束不同颜色的光束并排传播，这是某些类型先进原子钟的要求。他们在《光：科学与应用》杂志上报告了他们的发现。

“用可以在洁净室中制造的简单半导体晶圆取代装满笨重光学元件的光学工作台确实改变了游戏规则，”NIST团队成员Amit Agrawal说。“这些技术是必需的，因为它们坚固紧凑，可以很容易地在现实条件下重新配置不同的实验，”他补充说。

基于芯片的光学系统正在进行中，Aksyuk指出。例如，激光还不足以将原子冷却到小型化先进原子钟所需的超低温。（虽然激光通常会激发原子，使它们升温并移动得更快，但如果仔细选择光的频率和其他特性，就会发生相反的情况。在撞击原子时，激光光子诱导原子放弃能量并冷却下来，以便它们可以被磁场捕获。

即使没有冷却能力，微型光学系统“也是在芯片上构建先进原子钟的关键垫脚石，”Aksyuk说。

更多信息：Chad Ropp等人，在芯片上集成用于多光束产生和原子钟封装的平面光子学，光：科学与应用（2023）。DOI： 10.1038/s41377-023-01081-x

期刊信息： Light： Science & Applications