逍遙科技 | 解讀可編程非線性光子技術(shù)器件

  ICC訊 設(shè)想一個(gè)光子器件能夠瞬間在不同光學(xué)功能之間切換，實(shí)時(shí)適應(yīng)變化的條件或用戶需求。通過(guò)對(duì)可編程非線性波導(dǎo)的研究，這一愿景正在逐步實(shí)現(xiàn)。研究人員展示了對(duì)光與物質(zhì)在芯片上相互作用方式的精確控制。這項(xiàng)發(fā)表在《自然》期刊上的工作，標(biāo)志著非線性光學(xué)從長(zhǎng)期以來(lái)"一個(gè)器件一種功能"模式的根本轉(zhuǎn)變。

  非線性光學(xué)包含豐富多樣的現(xiàn)象，強(qiáng)光可以從一種顏色轉(zhuǎn)換為另一種顏色，分裂成多束光，或以復(fù)雜方式組合。這些過(guò)程是無(wú)數(shù)技術(shù)的核心，從激光系統(tǒng)、光學(xué)頻率梳到量子計(jì)算和通信。然而，傳統(tǒng)非線性光學(xué)器件面臨一個(gè)關(guān)鍵限制：功能在制造過(guò)程中確定，之后無(wú)法改變。如果想讓器件執(zhí)行不同的非線性光學(xué)過(guò)程，通常需要制造具有不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全新器件。

  01  工作原理

  這種新的可編程方法通過(guò)一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)克服了上述限制，允許光學(xué)非線性本身動(dòng)態(tài)重新配置。核心創(chuàng)新在于創(chuàng)建二維分布的二階非線性χ(2)，可以任意編程并實(shí)時(shí)更新。器件通過(guò)使用電場(chǎng)誘導(dǎo)非線性來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其中施加的偏置電場(chǎng)在天然僅具有三階非線性的材料中誘導(dǎo)出有效的χ(2)非線性。

圖1：可編程非線性波導(dǎo)的工作原理和功能，說(shuō)明結(jié)構(gòu)光投射到器件表面如何編程非線性圖案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)二次諧波產(chǎn)生的多功能控制。

  器件結(jié)構(gòu)由多個(gè)精心選擇的層組成?；资菍?dǎo)電硅襯底，上面是引導(dǎo)光信號(hào)的氮化硅波導(dǎo)。波導(dǎo)本身包括二氧化硅包層和約兩微米厚的氮化硅芯層。在這個(gè)光波導(dǎo)上方是關(guān)鍵創(chuàng)新部分：由富硅氮化硅制成的光電導(dǎo)體層，厚度約七點(diǎn)五微米。最后，氧化銦錫透明電極覆蓋在結(jié)構(gòu)頂部。

  當(dāng)在襯底和頂部電極之間施加偏置電壓時(shí)，光電導(dǎo)體層充當(dāng)可編程電阻網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)將圖案化照明投射到器件表面，研究人員可以控制光電導(dǎo)體在何處變得導(dǎo)電。在被照明的區(qū)域，光電導(dǎo)體允許電場(chǎng)穿透到波導(dǎo)芯層，而黑暗區(qū)域則阻擋電場(chǎng)。這創(chuàng)建了一個(gè)與照明圖案相對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)空間圖案。由于有效的χ(2)非線性與這個(gè)電場(chǎng)成正比，結(jié)果就是一個(gè)可編程的光學(xué)非線性圖案，只需改變照明圖案就可以更新。

  02  實(shí)時(shí)可編程控制

  這項(xiàng)技術(shù)最引人注目的演示之一涉及對(duì)環(huán)境波動(dòng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。在典型的非線性光學(xué)器件中，溫度變化、激光源的波長(zhǎng)漂移或其他環(huán)境因素會(huì)顯著降低性能。然而，可編程器件可以主動(dòng)補(bǔ)償這些變化。

圖2：使用可編程非線性波導(dǎo)進(jìn)行實(shí)時(shí)可編程周期極化，展示反饋控制如何在泵浦波長(zhǎng)隨機(jī)波動(dòng)的情況下保持高轉(zhuǎn)換效率。

  研究人員通過(guò)人為引入泵浦激光波長(zhǎng)的隨機(jī)波動(dòng)來(lái)演示這一能力，模擬實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的噪聲。在沒(méi)有反饋控制的情況下，隨著波長(zhǎng)偏離最佳值，二次諧波產(chǎn)生效率迅速降至接近零。然而，在啟用反饋的情況下，系統(tǒng)持續(xù)測(cè)量輸出信號(hào)并自動(dòng)調(diào)整編程的柵格周期以保持峰值性能。器件成功跟蹤波長(zhǎng)波動(dòng)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持始終如一的高轉(zhuǎn)換效率。

  這種實(shí)時(shí)適應(yīng)性為非線性光子技術(shù)帶來(lái)新的可能。可編程器件可以有效地與穩(wěn)定性較差、價(jià)格更實(shí)惠的組件配合工作，而不需要極其穩(wěn)定且昂貴的激光源。器件還可以在運(yùn)行期間自動(dòng)優(yōu)化自身，補(bǔ)償工作條件的逐漸變化或組件老化。

  03  光譜域中的光工程

  器件的可編程性使得對(duì)產(chǎn)生光的光譜特性進(jìn)行復(fù)雜控制成為現(xiàn)實(shí)。在二次諧波產(chǎn)生中，一個(gè)頻率的光被轉(zhuǎn)換為頻率翻倍的光。為了使這個(gè)過(guò)程高效，必須滿足稱為相位匹配的條件，這通常需要沿傳播方向?qū)Ψ蔷€性進(jìn)行周期性調(diào)制。這種周期性結(jié)構(gòu)稱為準(zhǔn)相位匹配光柵，可以理解為補(bǔ)償相互作用光波之間自然相位失配的空間圖案。

圖3：二次諧波產(chǎn)生的光譜工程，演示不同的照明圖案如何產(chǎn)生各種輸出光譜，包括單峰、多峰和寬帶產(chǎn)生，以及實(shí)時(shí)圖案更新。

  通過(guò)沿波導(dǎo)縱向編程不同的柵格結(jié)構(gòu)，研究人員展示了對(duì)輸出光譜的出色控制。簡(jiǎn)單的周期柵格在特定波長(zhǎng)產(chǎn)生窄光譜峰。疊加具有不同周期的多個(gè)柵格可以同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)不同的波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)在光譜中顯示為獨(dú)立的峰。對(duì)于寬帶產(chǎn)生，周期沿長(zhǎng)度逐漸變化的啁啾柵格產(chǎn)生連續(xù)的寬光譜。

  也許最令人印象深刻的是，研究人員實(shí)施了實(shí)時(shí)反饋優(yōu)化以創(chuàng)建任意目標(biāo)光譜。他們沒(méi)有基于理論模型手動(dòng)設(shè)計(jì)柵格圖案，而是構(gòu)建了一個(gè)反饋回路，器件測(cè)量自身的輸出光譜并迭代調(diào)整編程圖案以匹配所需目標(biāo)。這種原位逆向設(shè)計(jì)方法能夠創(chuàng)建通過(guò)正向設(shè)計(jì)極其難以實(shí)現(xiàn)的光譜形狀，并自動(dòng)補(bǔ)償器件或?qū)嶒?yàn)設(shè)置中的任何不完美之處。

  04  空間中的光塑形

  除了光譜控制之外，可編程器件還能夠?qū)Ξa(chǎn)生的光進(jìn)行復(fù)雜的空間塑形。光譜工程依賴于沿傳播方向構(gòu)造非線性，而空間工程涉及在波導(dǎo)寬度的橫向方向上對(duì)非線性進(jìn)行圖案化。

圖4：二次諧波產(chǎn)生的空間工程，展示不同的橫向柵格圖案如何聚焦光、創(chuàng)建多束光或產(chǎn)生艾里光束等特殊光束輪廓。

  從具有簡(jiǎn)單高斯空間輪廓的泵浦光束開(kāi)始，不同的編程圖案產(chǎn)生了截然不同的輸出光束形狀。沒(méi)有橫向變化的均勻柵格產(chǎn)生了與輸入相似的輸出光束，束腰為九十四微米。通過(guò)在橫向方向引入二次相位變化，研究人員能夠?qū)a(chǎn)生的光在輸出端面聚焦至僅十六微米。在不同橫向位置疊加九個(gè)這樣的聚焦圖案，在輸出中創(chuàng)建了九個(gè)不同的聚焦光束。

  器件還可以產(chǎn)生更特殊的光束形狀。艾里光束代表了一類引人入勝的非衍射光束，在傳播過(guò)程中保持其空間輪廓并表現(xiàn)出特征性的彎曲軌跡。通過(guò)在柵格上編程三次相位變化，研究人員成功產(chǎn)生了這些艾里光束，在可編程平臺(tái)上重現(xiàn)了以前需要定制制造固定結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)的效果。

  05  結(jié)合光譜和空間控制

  二維可編程性的全部威力在同時(shí)結(jié)合光譜和空間控制時(shí)顯現(xiàn)出來(lái)。這種時(shí)空-光譜工程能夠創(chuàng)建輸出特性隨波長(zhǎng)和空間位置變化的光。

圖5：二次諧波產(chǎn)生的時(shí)空-光譜工程，演示二維非線性圖案如何在產(chǎn)生光的空間和光譜特性之間創(chuàng)建復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。

  在一個(gè)演示中，研究人員編程了一個(gè)結(jié)構(gòu)，在五個(gè)不同波長(zhǎng)分別產(chǎn)生一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)和五個(gè)空間峰。每個(gè)波長(zhǎng)分量都有其獨(dú)特的空間分布，全部從同一個(gè)可編程器件同時(shí)產(chǎn)生。這創(chuàng)建了一種全息效果，當(dāng)掃描不同波長(zhǎng)時(shí)，空間圖案會(huì)演變。

  另一個(gè)引人注目的演示涉及在不同波長(zhǎng)產(chǎn)生相反啁啾的艾里光束。艾里光束的特征性不對(duì)稱干涉條紋在兩個(gè)獨(dú)立的光譜分量中以相反方向出現(xiàn)，展示了器件獨(dú)立控制產(chǎn)生光的空間和光譜結(jié)構(gòu)的能力。

  06  未來(lái)展望

  這項(xiàng)工作表明，非線性光學(xué)過(guò)程的可編程控制不僅可行，而且實(shí)用。雖然原型器件存在一些局限性，包括相對(duì)較弱的非線性和中等的光損耗，但研究人員確定了明確的改進(jìn)路徑。使用不同材料、優(yōu)化層厚度以及采用高溫退火來(lái)減少吸收，可以大幅提升器件性能。

  研究人員還證明，該方法不僅適用于平面波導(dǎo)，也適用于具有更緊密光學(xué)約束的通道波導(dǎo)，轉(zhuǎn)換效率提高了四十倍。進(jìn)一步展望，將可編程方法納入諧振結(jié)構(gòu)可能會(huì)將性能推向超越當(dāng)前最先進(jìn)集成非線性器件的水平。

  這些影響遠(yuǎn)不止改進(jìn)的規(guī)格參數(shù)?？删幊谭蔷€性光子技術(shù)可以帶來(lái)全新的應(yīng)用，其中器件必須在不同功能之間快速切換或持續(xù)適應(yīng)變化的條件。潛在應(yīng)用包括用于量子計(jì)算的可編程量子門、用于光通信的可重構(gòu)頻率轉(zhuǎn)換器、用于超快科學(xué)的自適應(yīng)脈沖整形器以及用于量子信息處理的可調(diào)諧糾纏光子源。通過(guò)打破一個(gè)器件一種功能的模式，這項(xiàng)技術(shù)讓非線性光學(xué)器件能夠像電子對(duì)應(yīng)物一樣靈活和可重構(gòu)。

  參考文獻(xiàn)

  [1] R. Yanagimoto, B. A. Ash, M. M. Sohoni, M. M. Stein, Y. Zhao, F. Presutti, M. Jankowski, L. G. Wright, T. Onodera, and P. L. McMahon, "Programmable on-chip nonlinear photonics," Nature, Oct. 2025, doi: 10.1038/s41586-025-09620-9.