光子芯片将单个光束转换为多个光束

近日，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员在芯片上设计了一种光子电路，可以将单个入射激光转换为一系列新光束，每个光束都具有许多不同的光学特性。新产生的光束保持了原始光束的频率，同时在芯片的不同位置离开电路。这使得科学家和工程师能够选择特定应用所需的一个或多个光束的特定特性。

精确成形和控制可见光束对于诊断和研究人类疾病至关重要，捕获原子是世界上最精确的时钟、量子计算和许多其他基于量子技术的基础。

当光束进入光子芯片时，分束器将光分成两部分区域。五氧化二钽薄层结构改变了光波的许多特性，包括相位和偏振

然而，这样做通常需要占用大量实验室空间的笨重光学元件。NIST设计的新装置最终将消除对此类光学元件的需求，并有助于使最新一代原子钟和其他装置小型化，从而实现实际应用。小型便携式原子光学钟可以极大地改善导航系统，特别是在没有GPS的水下环境。

大多数在芯片上成形和引导光的方法，包括采用超表面的方法，通常将具有一组特性的单个光束转换为具有另一组特性的单个光束。NIST研究员Grisha Spektor说：相比之下，我们的设备可以从一个单一的输入光束中产生大量的成形光束。需要多束激光从不同方向同时轰击原子云，以捕获和冷却原子云，从而将其用作原子钟的基础。最新一代的光学原子钟，很可能成为定义第二个原子钟的新国际。

该电路在150nm厚的五氧化二钽超薄层内产生这些光束。五氧化二钽，通常用于光学薄膜，具有高折射率和几乎完全透明。利用计算机算法，Spektor和他的同事们在五氧化二钽层上刻印了瑞士奶酪状的图案，这些图案可以产生多个光束，每个光束具有不同的特性。由于光子电路由单层材料组成，因此可以相对容易地制造，并根据需要扩展到更大的尺寸。

NIST制造的新型光子芯片如何形成入射光束的三个例子。芯片内由五氧化二钽制成的薄层形成一种结构，可根据其水平方向（θ）和该层上方的高度（Φ）改变出射光束（光束振动的平面）的偏振。该芯片可将该光束整形为圆形或径向振动。此外，材料的结构可以将光束整形为涡流，从而改变其相位（光波在其波峰和波谷周期内的位置）

激光束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。在每个位置，光流一分为二。五氧化二钽的结构将不同的相位——光波在其波峰和波谷周期内的位置——赋予每个流。

此外，两个分裂流（光波振动的平面）的偏振相对另一个旋转90°。然后，这两个流以各种方式重新组合和散射，从而产生具有几乎任何所需相位、偏振、方向或发散度的出射光束。发散光束提供了另一个优势：它们可以在芯片的一个很小的区域内产生——不到人类头发宽度的十分之一——使芯片能够产生许多密集的光束。创建光束所需的少量不动产也使得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设备。

该团队的测试结果显示，该芯片设备一旦完善，应该能够引导、塑造和传递几乎无限数量的紧密间隔的各种可见光颜色的光束。