除了来自太阳的天然紫外线外，紫外线还被广泛应用于现代科技的无数领域，从消毒、生物材料的荧光检测到计算机芯片的光刻技术。在不久的将来，光子芯片上微小的紫外线光点有望推动量子计算机、超高精度原子钟等领域的进步。

然而，将紫外光源压缩到这种程度并非易事，因为这类光在沿光学波导传输时会迅速衰减，阻碍了在此波长下实现芯片级光源的任何实质性尝试——直到现在。

由哈佛大学马克·隆卡尔（Marko Loncar）领导的团队，来自电气工程系林天赛教授实验室，利用一种名为薄膜铌酸锂的成熟光子平台，成功研制出一种微米级光子器件，其在芯片上产生的紫外光强度比以往同类技术高出两个数量级。这项研究表明，铌酸锂是一种适用于实际应用的高功率、低损耗、紧凑型紫外光源生成平台。

这种新型设备通过在芯片内将红光转换为紫外光，从而绕过在如此小尺度下输送紫外线的难题。这一过程称为频率上变，即两个红光子在具有极高频率转换效率的铌酸锂晶体内部结合，生成一个能量更高的紫外光子。

哈佛大学研究人员制造出一种侧壁偏振的铌酸锂芯片，图中展示了其在紫外光生成过程中的情况。

                                                                                                （图片由Loncar实验室/哈佛海事与航空工程学院提供）

“我们团队或许最著名的是利用铌酸锂制造光子器件，这些器件可工作在更长的红外波段，接近电信信号的范围，”隆卡尔说。但他继续指出，这种透明的晶体材料已成为集成光子学的重要平台，同时也能有效引导和容纳较短波长的光源，包括紫外光。

“当人们想到[薄膜铌酸锂]时，不会将其视为一种紫外材料，但我们证明了它确实如此，”共同第一作者、隆卡尔实验室前研究员基斯·弗兰肯表示。“我们还发现了一些其他非线性效应，目前我们尚未完全理解。”

在该设备中，光通过芯片内的波导传输——这些波导是刻蚀在薄膜上的微小“导线”。为了高效地将红光转换为紫外光，铌酸锂中的晶体晶粒结构必须沿波导方向周期性翻转并均匀分布，这一过程属于非线性光学领域的一种特殊纳米制造技术，称为极化处理。而要在厘米级的器件中，在亚微米尺度上精确实现这种图案，正是以往尝试所面临的瓶颈所在。

早期的方法存在一个权衡：整个薄膜可以进行取向处理，但这样做会丧失对制造缺陷进行补偿的能力。另一种方法是先制备波导，但由于电极位置较远，导致效率降低，且只能对薄膜部分区域进行取向。

哈佛团队通过发明“侧壁极化”克服了这一权衡。

他们没有仅在薄膜上方放置探针电极，而是将精心设计的金属“手指”直接延伸到刻蚀波导的两侧或侧壁。随后，与现有技术类似，在制造过程中施加一个小电压，以精确控制的方式永久翻转晶体畴。

“关键点在于：我们能否直接将电极放在波导上？”联合第一作者、前研究生苏米娅·戈什说道，“这是一项高精度的制造工艺，需要将电极定位到约50纳米的精度。”

这种独特的电极结构使研究人员能够将整个波导横截面的晶体完全反转，从而使光束看到一个完美翻转的材料，从而最大限度地提高转换效率。此外，他们还能利用隆卡尔实验室及其他研究机构开发的早期“自适应偏振”技术，精确调控器件沿长度方向的偏振周期，以克服薄膜厚度和波导形状的变化。

该团队报告称，在390纳米波长下，芯片内产生的紫外光功率达到4.2毫瓦，比此前在此波长范围内实现的最优薄膜铌酸锂演示结果高出约120倍。此前使用该材料的演示仅产生数十微瓦的紫外光功率，虽然足以证明该概念可行，但远不足以实现实际应用。

高品质的芯片级紫外光对于新兴技术尤为重要，例如离子阱量子计算机，其中特定的原子跃迁通常位于近紫外波段。

“如果你想打造一台可扩展的量子计算机，而且体积不比卡车大，就必须将所有部件缩小到芯片级别，这其中也包括光源。”弗兰肯说。

研究人员还指出，除了量子和时间应用外，同一波长频段也适用于紧凑型环境传感器，可用于近距离监测温室气体或其他大气污染物。

据弗兰肯和戈什表示，这一进展之所以成为可能，是因为隆卡尔的团队将从理论设计、洁净室制造到光学测试等工作的各个方面都整合到了一个统一的框架中。

“我们在制造设备方面获得的实践经验，同时又保持了对设备用途以及我们如何对其进行表征的宏观视角——这正是使我们能够完成这个项目的重要部分，”戈什说。

该研究发表在《自然通讯》（www.doi.org/10.1038/s41467-026-68524-y）上。