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本文由论文作者团队投稿
近日，美国国家标准与技术研究院和马里兰大学联合量子研究所的科学家团队通过利用氮化硅微环中的克尔光参量振荡技术，成功填补了绿光缺口（532nm至633nm）。该研究通过优化微腔结构，实现了超过150种不同波长的激光输出，波长连续可调谐范围超过50 GHz，激光线宽小于1 MHz。这一突破为量子计算、传感、生物成像等领域的应用提供了全新机遇，为未来光子学技术的发展铺平了道路。
该成果以"Advancing on-chip Kerr optical parametric oscillation towards coherent applications covering the green gap"为题发表在Light：Science & Applications。
图1：半导体激光器能发射红外、红色和蓝色激光，但在橙色、黄色和绿光波段效率较低，这一区域称为绿光缺口。
常用的解决方案是采用基于自由空间光学的非线性光学，利用光参量振荡技术将泵浦激光光源转换为所需波长的信号光或闲散光。然而，这种方案的系统复杂、体积庞大，限制了其在实际应用中的可行性，特别是在现代高科技领域对小型化和集成化需求不断增加的背景下。因此，开发芯片级的光参量振荡方案不仅是技术进步的方向，更是满足当前和未来应用需求的关键，这种小型化和高效的解决方案将有助于推动绿光激光器技术的广泛应用，特别是在要求苛刻的前沿科技领域中。近年来，已有不少工作致力于将芯片级光参量振荡的波长调谐范围推进至绿光区域，通常采用近红外激光器作为泵浦光源。然而，这些研究多集中于产生波长大于560 nm的信号光，并且每个器件通常只能产生少数几个光参量振荡信号，远未满足实际应用中广泛调谐的需求。
图2：基于微环谐振腔的光参量振荡
由Kartik Srinivasan领导的研究团队，在高品质因子氮化硅微环中成功利用克尔效应的光参量振荡，填补了绿光缺口。研究成果覆盖了532 nm至633 nm的整个绿光缺口光谱区，为科学和工业应用开辟了新前景。
图3：传统与新型微环谐振腔截面结构的改进及其对应的光参量振荡输出信号光对比
图4：自四个光参量振荡器件的150多个信号光光谱集合，顶部标示了绿光缺口范围内各类量子系统中原子和离子的跃迁波长
随着技术的不断完善和新应用的探索，这项研究的影响将覆盖多个领域，不仅为量子科学中的基础研究提供支持，也将促进集成激光器在商业产品中的应用。芯片级光参量放大技术在此过程中具有重要意义，它可以在保证系统小型化的同时提供更高的输出功率和更宽的波长覆盖范围。未来，该技术将在量子通信、精密传感、生物成像等前沿领域中发挥重要作用，成为推动光子学与激光技术持续进步的关键力量。
感谢来自美国国家标准与技术研究院的Sean Kelley为本文提供的精美图片。
论文信息
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01534-x
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