近日，美国马里兰大学研究团队在光子芯片领域取得突破性进展。其开发的新型光子芯片可将单色激光光源被动转换为红、绿、蓝三色光，且无需主动控制或反复优化即可稳定运行。这一突破技术为量子计算、高精度频率测量及光学计量等领域提供了创新工具。
光子器件是基于光子学原理开发的功能器件，利用光子具备的超高速、高并行性、低损耗等特性。传统光子器件虽能实现光子流的分离、引导、放大和干涉，但功能受限于固定操作模式，难以批量稳定生产。
此次研发的光子芯片通过非线性光-物质相互作用，直接生成输入光中原本不存在的新频率光。这一过程不仅减少了对多个激光器的依赖，还拓展了光频率的可实现范围。
此前研究中，单一谐振器在生成多频率光时存在显著局限。为克服非线性效应微弱的难题，研究团队采用光子谐振器设计，使光在芯片中循环多次，通过效应叠加放大输出信号。同时，团队创新性地提出微小谐振器阵列协同工作的方案：由数百个微环组成的阵列可引导光沿边缘传播，并将脉冲激光高效转化为多频率光。
同时，在测试中，研究人员向6块同一晶圆上的芯片输入标准190THz激光，所有芯片均成功生成二、三、四次谐波光，分别对应红、绿、蓝三色光。相比之下，采用嵌入式加热器的3块单环芯片中，仅1块在有限条件下实现了二次谐波生成。
团队分析指出，阵列中“小环”与“超环”的差异化循环速度，使光子更易满足频率转换的相位匹配条件，从而实现被动自适应调节。此外，随着输入光强度增加，芯片还可生成更多频率的光，展现出类似多频激光器的效果。这种无需主动干预的特性，显著提升了设备稳定性与生产一致性。
该技术突破为光学领域带来多项潜在价值。在量子计算中，多频率光可作为高精度量子态操控的基础资源；在光学计量领域，芯片的频率转换能力有望提升测量精度与设备集成度。同时，其批量化生产的可行性也为非线性光学计算、低功耗光通信等方向提供了新思路。
这一成果标志着光子芯片从“被动元件”向“主动功能单元”的跨越，未来或将进一步推动光电子器件的微型化与多功能化发展。相关成果发表于新一期《科学》杂志。
资料参考来源：科技日报
