據麥姆斯咨詢報道，近期，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員開發出一種片上系統（on-chip system），可同時控制多束激光（不同波長）的行進方向、焦點和偏振。

NIST研究人員設計并制造的片上系統，用于對多束激光進行操縱并控制其偏振。該片上系統主要由三個組件構成：（1）漸逝耦合器（evanescent coupler，EVC），將光束從一個器件耦合到另一個器件；（2）超構光柵（metagrating，MG），在微小的表面上制備了數百萬個小孔，可以像大型衍射光柵一樣散射光；（3）超構表面（metasurface，MS），在微小的玻璃表面上制備了數百萬個用作透鏡的柱子。

NIST表示，使用單顆芯片定制這些特性的能力“對于制造新型便攜式傳感器至關重要，這種傳感器可以在實驗室范圍之外以前所未有的精度測量旋轉、加速度、時間和磁場等基本物理量。”

通常情況下，需要一個與餐桌一樣大的實驗室工作臺來容納各種透鏡、偏振器、反射鏡和其它操作所需的設備。然而，許多量子技術，包括微型光學原子鐘和一些未來的量子計算機，將需要在一個小空間區域內同時操縱多個廣泛變化的激光波長。

集成光子電路和光學超構表面

為了解決上述遇到的問題，NIST研究人員Vladimir Aksyuk和他的同事結合了兩大類芯片級光束操縱技術：（1）集成光子電路，其使用微小的透明通道和其它微型組件來引導光束；（2）光學超構表面（metasurface），其表面由集成數百萬個微小結構的玻璃晶圓組成，這些微結構可以無需笨重的光學器件即可操縱光束。

Aksyuk和他的團隊證明，單顆光子芯片可以完成36個光學器件的工作，同時控制12束分為4個不同波長的激光束的行進方向、焦點和偏振。

該研究團隊在《自然》子期刊（Light：Science & Applications）中介紹了他們的最新研究成果，并表明這種微型光子芯片可以引導兩束不同顏色的光束并排傳播，這是某些類型的先進原子鐘的要求。

為基于芯片的光學原子鐘打下基礎

NIST研究人員Amit Agrawal表示：“利用可以在潔凈室中制造的半導體晶圓（光子芯片）代替裝滿笨重光學器件的光學平臺是真正的改變游戲規則的方法。這項技術是必需的，因為其制造的光子芯片具有可靠且緊湊的優點，并且可以很容易地重新配置以用于現實世界條件下的不同實驗。”他補充說。

Aksyuk指出，基于芯片的光學原子鐘系統正在開發之中，因為激光還不足以將原子冷卻到微型先進原子鐘所需的超低溫。

雖然激光通常會激發原子，使其升溫并加快移動速度，但如果仔細選擇光的頻率和其他特性，則會發生相反的情況。撞擊原子后，激光光子會誘導原子釋放能量并冷卻，以便其可以被磁場捕獲。

“即使尚沒有冷卻能力，但微型光學系統也是在芯片上構建先進原子鐘的關鍵墊腳石。”Aksyuk認為。

審核編輯：劉清