当一束光进入光子芯片时，它被引导到一个分光器将光波分成两部分的区域。在每个地方，五氧化二钽薄层的瑞士奶酪式结构改变了光波的许多特性，包括其相位和偏振。资料来源：S. Kelley/NIST

美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员设计了一种芯片上的光子电路，它能将一束射入的激光转化为一系列新的光束，每束光束都有一系列不同的光学特性。

新产生的光束--保留了原始光束的频率--在芯片的不同位置同时退出电路。这使科学家和工程师们能够选择某一特定应用所需的一个或多个光束的具体特征。

精确地塑造和控制可见光束对于诊断和研究人类疾病、捕获构成世界上最精确的时钟的原子、量子计算和许多其他基于量子的技术至关重要。

然而，这样做通常需要占用大量实验室空间的笨重光学器件。NIST设计的新装置最终可以消除对这种光学器件的需求，并有助于使最新一代的原子钟和其他设备小型化，使它们走出实验室，进入工作场所。小型、便携式的原子光学钟可以极大地改善导航系统，特别是在没有GPS的水下。

大多数在芯片上塑造和引导光线的方法，包括那些采用元表面的方法，通常是将具有一组属性的单一光束转换成另一组具有不同属性的单一光束。

相比之下，"我们的设备可以从单一的输入光束中产生非常多的成型光束，"NIST研究员Grisha Spektor说。多个激光束同时从不同的方向轰击原子云，需要捕获和冷却原子云，以便它可以被用作原子钟的基础。最新一代的光学原子钟可能会成为定义秒的新国际标准，通常需要六束激光。

研究人员，包括来自加州斯坦福大学、博尔德的科罗拉多大学和博尔德的Octave Photonics公司的科学家，在6月30日的《Optica》杂志网络版上描述了他们的工作。

在NIST建造的一个新的光子芯片如何塑造一个传入的光束的三个例子。芯片内的一个薄层由五氧化二钽制成，形成一个结构，可以改变出射光束的偏振（光束振动的平面），这取决于其水平方向（θ）和在该层上方的高度（j）。该芯片可以重塑光束，使其以圆形模式或径向模式振动。此外，材料的结构可以将光束重塑为一个漩涡，从而改变其相位（光波在其峰谷循环中的位置）。资料来源：S: Kelley/NIST

该电路在厚度为150纳米（十亿分之一米）的超薄五氧化二钽层内产生这些光束，约为人类红细胞直径的百分之一。五氧化二钽经常被用于光学涂层，具有高折射率，几乎完全透明。

利用计算机算法，Spektor和他的同事在五氧化二钽层上印制了类似于瑞士奶酪的图案，以产生多个光束，每个光束具有不同的特性。Spektor说，由于光子电路由单层材料组成，它可以相对容易地被制造出来，并根据需要放大到更大的尺寸。

一束激光通过一个通道进入芯片，该通道将光引导到芯片内的几个不同位置。在每一个位置上，光流被分成两部分。五氧化二钽的结构使每个光流具有不同的相位--即光波在其峰谷循环中的位置。

此外，两个分裂流中的每一个的偏振--光波振动的平面--都相对于另一个旋转了90度。然后，这两个流被重新组合，并以各种方式散射，形成具有几乎任何所需相位、偏振、方向或发散的出射光束。

物理学家需要几条宽的，或发散的光束来围住原子钟和其他量子技术中使用的原子云。发散光束具有另一个优势： 它们可以在芯片的一个很小的区域内产生--不到人的头发的十分之一的宽度--使芯片能够产生许多紧密间隔的光束。创造光束所需的少量空间也使芯片的其余部分可以自由地执行其他任务，并容纳特定实验或应用可能需要的额外探测器或电子装置。

该团队的测试结果显示，一旦完善，该芯片设备应该能够引导、塑造和提供几乎无限数量的紧密间隔的各种可见光颜色的光束。

参考资料

G. Spektor et al, Universal visible emitters in nanoscale integrated photonics, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.486747