片上光子学的颜色变化 可为下一代量子计算机和网络提供支撑

在上图的装置中，两个耦合的谐振器形成了一个类似八字的结构。输入的光从波导穿过谐振器，以一种颜色进入，以另一种颜色出现。底部装置使用三个耦合谐振器：一个小的环形谐振器，一个长的椭圆形谐振器，称为赛道谐振器，和一个矩形的谐振器。当光线围绕赛道谐振器加速时，它串联成越来越高的频率，带来高达120千兆赫的转变。

最难改变的属性之一是光子的颜色，又称其频率，因为改变光子的频率意味着需要改变其能量。今天，大多数移频器要么效率太低，在转换过程中损失了大量的光，要么它们不能转换千兆赫兹范围内的光，而这正是通信、计算和其他应用中最重要的频率所在。

现在，来自哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员已经开发出高效的片上移频器，可以在千兆赫兹频率范围内转换光。这些移频器很容易控制，使用连续和单音的微波。

该研究发表在《自然》杂志上。

电气工程系Tiantsai Lin教授和论文的资深作者Marko Lončar说："我们的移频器可以成为高速、大规模经典通信系统以及新兴光子量子计算机的基本构建块。"

该论文概述了两种类型的片上移频器--一种可以将一种颜色覆盖到另一种颜色，使用几十千兆赫的移位，另一种可以级联多种移位，移位超过100千兆赫。每个设备都是建立在隆恰尔和他的实验室开创的铌酸锂平台上。

铌酸锂可以有效地将电子信号转化为光信号，但长期以来被该领域的许多人认为难以在小范围内使用。在之前的研究中，Lončar和他的团队展示了一种制造高性能铌酸锂微结构的技术，使用标准的等离子体蚀刻技术在铌酸锂薄膜中物理雕刻微谐振器。

在这里，使用同样的技术，Lončar和他的团队在铌酸锂薄膜上蚀刻了耦合环形共振器和波导。在第一个装置中，两个耦合谐振器形成了一个类似八字的结构。输入的光以八字形模式从波导穿过谐振器，以一种颜色进入，以另一种颜色出现。这个装置提供高达28千兆赫的频率偏移，效率约为90%。它也可以被重新配置为可调谐的频域分光器，其中一个频率的光束被分成另一个频率的两个光束。

第二个装置使用三个耦合的谐振器：一个小的环形谐振器，一个长的椭圆形谐振器，称为赛场谐振器，和一个长方形的谐振器。当光线围绕赛马场谐振器加速时，它串联成越来越高的频率，导致高达120千兆赫的转变。

"我们只用一个30千兆赫的单一微波信号就能实现这种程度的频率偏移，"哈佛大学工程与应用科学学院的研究助理和论文的第一作者Yaowen Hu说。"这是一个全新类型的光子设备。以前试图以大于100千兆赫的量来转移频率是非常困难和昂贵的，需要同样大的微波信号。"

"这项工作是由我们以前在集成铌酸锂光子学方面的所有发展促成的，"Lončar说。"以高效、紧凑和可扩展的方式处理频域信息的能力有可能大大降低大规模光子电路的费用和资源要求，包括量子计算、电信、雷达、光信号处理和光谱学。"