U dve nove studije, istraživači sa Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) su u velikoj meri poboljšali efikasnost i izlaznu snagu serije uređaja veličine čipa koji generišu lasersko svetlo u različitim bojama dok svi koriste isti ulazni laserski izvor.
Mnoge kvantne tehnologije, uključujući minijaturne optičke atomske satove i buduće kvantne računare, zahtevaće istovremeni pristup višestrukim, široko varirajućim laserskim bojama unutar malog prostora. Na primer, potrebno je do šest različitih laserskih boja za sve korake potrebne za vodeći dizajn baziran na atomu za kvantno računanje, uključujući pripremu atoma, njihovo hlađenje, očitavanje njihovih energetskih stanja i izvođenje kvantnih logičkih operacija.
Da bi napravili više laserskih boja na jednom čipu, istraživač NIST-a Kartik Srinivasan i njegove kolege proveli su poslednjih nekoliko godina proučavajući nelinearne optičke uređaje, poput onih napravljenih od silicijum nitrida, koji imaju posebnu osobinu: Boja laserske svetlosti koja ulazi u uređaj može razlikuju od boje koja izlazi. U njihovom eksperimentu, dolazeća svetlost se pretvara u dve različite boje — koje odgovaraju dvema različitim frekvencijama. Na primer, bliska infracrvena laserska svetlost koja pada na materijal se pretvara u vidljivu lasersku svetlost kraće talasne dužine (na višoj frekvenciji od izvora) i infracrveno lasersko svetlo duže talasne dužine (na nižoj frekvenciji).
U prethodnom radu, tim je pokazao da se ovaj proces konverzije, poznat kao optička parametarska oscilacija, može desiti unutar mikrorezonatora od silicijum nitrida, uređaja u obliku prstena koji je dovoljno mali da se proizvede na čipu. Svetlost juri oko prstena oko 5.000 puta, stvarajući dovoljno visok intenzitet da ga silicijum nitrid pretvori u dve različite frekvencije. Dve boje se zatim spajaju u pravi pravougaoni kanal, takođe napravljen od silicijum nitrida, koji leži pored prstena i deluje kao prenosna linija, ili talasovod, prenoseći svetlost tamo gde je potrebna.
Specifične boje koje se generišu su određene dimenzijama mikrorezonatora kao i bojom ulaznog laserskog svetla. Pošto se tokom procesa proizvodnje stvara mnogo različitih mikrorezonatora sa neznatno različitim dimenzijama, tehnika omogućava pristup širokom spektru izlaznih boja na jednom čipu, koristeći isti ulazni laser.
Međutim, Srinivasan i njegove kolege, koji uključuju istraživače iz Zajedničkog kvantnog instituta (JKI), saradnje između NIST-a i Univerziteta Merilend, otkrili su da je proces bio veoma neefikasan. Mnogo manje od 0,1 odsto ulazne laserske svetlosti je pretvoreno u bilo koju od dve izlazne boje koje putuju u talasovodu. Tim je najveći deo neefikasnosti pratio do lošeg spoja između prstena i talasovoda.
U prvoj studiji, Srinivasan i njegovi NIST/JKI saradnici, predvođeni Džordan Stounom, redizajnirali su pravi talasovod tako da je bio u obliku slova U i omotan oko dela prstena. Sa ovom modifikacijom, istraživači su uspeli da pretvore oko 15 procenata dolaznog svetla u željene izlazne boje, više od 150 puta više od količine u njihovom ranijem eksperimentu. Pored toga, konvertovana svetlost je posedovala više od jednog milivata snage u širokom opsegu talasnih dužina, od vidljive do skoro infracrvene.
Stvaranje milivata snage je prekretnica, rekao je Srinivasan, jer je ta količina obično dovoljna za nekoliko aplikacija. Na primer, može omogućiti sićušnom laseru da pobudi elektrone da skoče ili prelaze sa jednog specifičnog energetskog nivoa na drugi unutar atoma. Uzbuđivanje ovih prelaza deo je uobičajenih protokola za generisanje kvantnih stanja svetlosti, kao što su jednofotonska stanja, od pojedinačnih atoma ili sistema sličnih atomu kao što su kvantne tačke.
Pored toga, nivoi snage milivata mogu biti dovoljni za stabilizaciju lasera. Neki atomi imaju prelazne energije koje su veoma stabilne i neosetljive na uticaje okoline, i kao rezultat, daju dobru referencu pomoću koje se laserska frekvencija može uporediti i korigovati, na kraju poboljšavajući njena svojstva buke.
