精确控制和改变光子属性(包括极化、空间位置和到达时间)的能力催生了我们今天使用的包括互联网在内的各种通信技术。下一代光子技术，例如光量子网络和光量子计算机，将需要更多地控制光子的特性。

光子最难以改变的特性之一是颜色(也就是频率)，因为改变光子的频率意味着改变它的能量。目前大多数移频器要么效率太低，在转换过程中损失了大量的光，要么就是无法转换成千兆赫范围内的光，这是通信、计算和其他应用最重要的频率所在。

现在，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发出了一种高效的片上移频器，可以转换千兆赫频率范围内的光。他们通过使用连续和单音微波可以轻松控制这种移频器。该研究发表在近期的《自然》杂志上。

该论文的高级作者、哈佛大学电气工程教授Marko Lončar说：“我们的移频器可以成为高速的大规模经典通信系统以及新兴的光子量子计算机的基本构建块。”

论文概述了两种类型的片上移频器：一种设备可以将一种颜色转换为另一种颜色，使用几十GHz的频移；另一种设备可以级联多个频移，使其总频移超过100GHz。而且他们的这种移频器都建立在Lončar及其实验室首创的铌酸锂平台上。

铌酸锂可以有效地将电子信号转换为光信号，但长期以来，该领域的许多人认为难以在小规模上使用。在之前的研究中，Lončar和他的团队展示了一种制造高性能铌酸锂微结构的技术，该技术利用等离子体在铌酸锂薄膜中物理蚀刻了微谐振器。

在这里，Lončar和他的团队使用相同的技术在铌酸锂薄膜上蚀刻了耦合的环形谐振器和波导。在第一个设备中，两个耦合谐振器形成一个8字形结构。输入的光以8字形图案从波导穿过谐振器，光以一种颜色进入并以另一种颜色出来。该器件提供了高达28GHz的频移，效率约为90%。它还可以重新配置为可调谐频域分束器，其中一个频率的光束被分成另一个频率的两个光束。

第二个设备使用了三个耦合谐振器：一个小环形谐振器、一个称为跑道谐振器的长椭圆形谐振器和一个矩形谐振器。它能级联到越来越高的频率，导致形成了高达120GHz的偏移。

SEAS的研究助理、该论文的第一作者Yaowen Hu说：“我们仅使用一个约30GHz的微波信号就能够实现这种幅度(120GHz)的频移。这是一种全新类型的光子设备。以前将频率偏移超过100GHz的尝试都非常困难且昂贵，需要同样大的微波信号。”

Lončar说：“我们之前在集成铌酸锂光子学方面的所有进展使这项工作成为可能。以高效紧凑和可扩展的方式处理频域信息的能力有可能显着降低大规模光子电路的费用和资源需求。它可广泛用于量子计算、电信、雷达、光信号处理和光谱学等领域。”（编译:Qtech）