千兆赫茲範圍內的片上移頻器可用於下一代量子計算機和網路。 精確控制和改變光子屬性的能力，包括偏振、空間位置和到達時間，催生了我們今天使用的廣泛的通信技術，包括互聯網。 下一代的光子技術，如光子量子網路和計算機，將需要對光子的屬性進行更多的控制。

在上圖的裝置中，兩個耦合的諧振器形成了一個類似八字的結構。 輸入的光從波導穿過諧振器，以一種顏色進入，以另一種顏色出現。 底部裝置使用三個耦合諧振器：一個小的環形諧振器，一個長的橢圓形諧振器，稱為賽道諧振器，和一個矩形的諧振器。 當光線圍繞賽道諧振器加速時，它串聯成越來越高的頻率，帶來高達120千兆赫的轉變。

最難改變的屬性之一是光子的顏色，又稱其頻率，因為改變光子的頻率意味著需要改變其能量。 今天，大多數移頻器要麼效率太低，在轉換過程中損失了大量的光，要麼它們不能轉換千兆赫茲範圍內的光，而這正是通信、計算和其他應用中最重要的頻率所在。

現在，來自哈佛大學約翰-A-保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員已經開發出高效的片上移頻器，可以在千兆赫茲頻率範圍內轉換光。 這些移頻器很容易控制，使用連續和單音的微波。

該研究發表在《自然》雜誌上。

電氣工程系Tiantsai Lin教授和論文的資深作者Marko Lončar說：”我們的移頻器可以成為高速、大規模經典通信系統以及新興光子量子計算機的基本構建塊。 “

該論文概述了兩種類型的片上移頻器–一種可以將一種顏色覆蓋到另一種顏色，使用幾十千兆赫的移位，另一種可以級聯多種移位，移位超過100千兆赫。 每個設備都是建立在隆恰爾和他的實驗室開創的鈮酸鋰平臺上。

鈮酸鋰可以有效地將電子信號轉化為光信號，但長期以來被該領域的許多人認為難以在小範圍內使用。 在之前的研究中，Lončar和他的團隊展示了一種製造高性能鈮酸鋰微結構的技術，使用標準的等離子體蝕刻技術在鈮酸鋰薄膜中物理雕刻微諧振器。

在這裡，使用同樣的技術，Lončar和他的團隊在鈮酸鋰薄膜上蝕刻了耦合環形共振器和波導。 在第一個裝置中，兩個耦合諧振器形成了一個類似八字的結構。 輸入的光以八字形模式從波導穿過諧振器，以一種顏色進入，以另一種顏色出現。 這個裝置提供高達28千兆赫的頻率偏移，效率約為90%。 它也可以被重新配置為可調諧的頻域分光器，其中一個頻率的光束被分成另一個頻率的兩個光束。

第二個裝置使用三個耦合的諧振器：一個小的環形諧振器，一個長的橢圓形諧振器，稱為賽場諧振器，和一個長方形的諧振器。 當光線圍繞賽馬場諧振器加速時，它串聯成越來越高的頻率，導致高達120千兆赫的轉變。

“我們只用一個30千兆赫的單一微波信號就能實現這種程度的頻率偏移，”哈佛大學工程與應用科學學院的研究助理和論文的第一作者Yaowen Hu說。 “這是一個全新類型的光子設備。 以前試圖以大於100千兆赫的量來轉移頻率是非常困難和昂貴的，需要同樣大的微波信號。 “

“這項工作是由我們以前在集成鈮酸鋰光子學方面的所有發展促成的，”Lončar說。 “以高效、緊湊和可擴展的方式處理頻域資訊的能力有可能大大降低大規模光子電路的費用和資源要求，包括量子計算、電信、雷達、光信號處理和光譜學。”