逍遙科技 | 解讀可編程非線性光子技術(shù)器件

  ICC訊 設想一個光子器件能夠瞬間在不同光學功能之間切換，實時適應變化的條件或用戶需求。通過對可編程非線性波導的研究，這一愿景正在逐步實現(xiàn)。研究人員展示了對光與物質(zhì)在芯片上相互作用方式的精確控制。這項發(fā)表在《自然》期刊上的工作，標志著非線性光學從長期以來"一個器件一種功能"模式的根本轉(zhuǎn)變。

  非線性光學包含豐富多樣的現(xiàn)象，強光可以從一種顏色轉(zhuǎn)換為另一種顏色，分裂成多束光，或以復雜方式組合。這些過程是無數(shù)技術(shù)的核心，從激光系統(tǒng)、光學頻率梳到量子計算和通信。然而，傳統(tǒng)非線性光學器件面臨一個關(guān)鍵限制：功能在制造過程中確定，之后無法改變。如果想讓器件執(zhí)行不同的非線性光學過程，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一個巧妙的設計克服了上述限制，允許光學非線性本身動態(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)，可以任意編程并實時更新。器件通過使用電場誘導非線性來實現(xiàn)這一點，其中施加的偏置電場在天然僅具有三階非線性的材料中誘導出有效的χ(2)非線性。

圖1：可編程非線性波導的工作原理和功能，說明結(jié)構(gòu)光投射到器件表面如何編程非線性圖案，從而實現(xiàn)對二次諧波產(chǎn)生的多功能控制。

  器件結(jié)構(gòu)由多個精心選擇的層組成?；资菍щ姽枰r底，上面是引導光信號的氮化硅波導。波導本身包括二氧化硅包層和約兩微米厚的氮化硅芯層。在這個光波導上方是關(guān)鍵創(chuàng)新部分：由富硅氮化硅制成的光電導體層，厚度約七點五微米。最后，氧化銦錫透明電極覆蓋在結(jié)構(gòu)頂部。

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

  02  實時可編程控制

  這項技術(shù)最引人注目的演示之一涉及對環(huán)境波動的實時補償。在典型的非線性光學器件中，溫度變化、激光源的波長漂移或其他環(huán)境因素會顯著降低性能。然而，可編程器件可以主動補償這些變化。

圖2：使用可編程非線性波導進行實時可編程周期極化，展示反饋控制如何在泵浦波長隨機波動的情況下保持高轉(zhuǎn)換效率。

  研究人員通過人為引入泵浦激光波長的隨機波動來演示這一能力，模擬實際應用中可能出現(xiàn)的噪聲。在沒有反饋控制的情況下，隨著波長偏離最佳值，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)測量輸出信號并自動調(diào)整編程的柵格周期以保持峰值性能。器件成功跟蹤波長波動，在整個實驗過程中保持始終如一的高轉(zhuǎn)換效率。

  這種實時適應性為非線性光子技術(shù)帶來新的可能?？删幊唐骷梢杂行У嘏c穩(wěn)定性較差、價格更實惠的組件配合工作，而不需要極其穩(wěn)定且昂貴的激光源。器件還可以在運行期間自動優(yōu)化自身，補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產(chǎn)生光的光譜特性進行復雜控制成為現(xiàn)實。在二次諧波產(chǎn)生中，一個頻率的光被轉(zhuǎn)換為頻率翻倍的光。為了使這個過程高效，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€性進行周期性調(diào)制。這種周期性結(jié)構(gòu)稱為準相位匹配光柵，可以理解為補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，以及實時圖案更新。

  通過沿波導縱向編程不同的柵格結(jié)構(gòu)，研究人員展示了對輸出光譜的出色控制。簡單的周期柵格在特定波長產(chǎn)生窄光譜峰。疊加具有不同周期的多個柵格可以同時產(chǎn)生多個不同的波長，每個波長在光譜中顯示為獨立的峰。對于寬帶產(chǎn)生，周期沿長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，研究人員實施了實時反饋優(yōu)化以創(chuàng)建任意目標光譜。他們沒有基于理論模型手動設計柵格圖案，而是構(gòu)建了一個反饋回路，器件測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。這種原位逆向設計方法能夠創(chuàng)建通過正向設計極其難以實現(xiàn)的光譜形狀，并自動補償器件或?qū)嶒炘O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)生的光進行復雜的空間塑形。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寬度的橫向方向上對非線性進行圖案化。

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。

  從具有簡單高斯空間輪廓的泵浦光束開始，不同的編程圖案產(chǎn)生了截然不同的輸出光束形狀。沒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這樣的聚焦圖案，在輸出中創(chuàng)建了九個不同的聚焦光束。

  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，在傳播過程中保持其空間輪廓并表現(xiàn)出特征性的彎曲軌跡。通過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，在可編程平臺上重現(xiàn)了以前需要定制制造固定結(jié)構(gòu)才能實現(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結(jié)合光譜和空間控制時顯現(xiàn)出來。這種時空-光譜工程能夠創(chuàng)建輸出特性隨波長和空間位置變化的光。

圖5：二次諧波產(chǎn)生的時空-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)建復雜的關(guān)聯(lián)。

  在一個演示中，研究人員編程了一個結(jié)構(gòu)，在五個不同波長分別產(chǎn)生一個、兩個、三個、四個和五個空間峰。每個波長分量都有其獨特的空間分布，全部從同一個可編程器件同時產(chǎn)生。這創(chuàng)建了一種全息效果，當掃描不同波長時，空間圖案會演變。

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

  06  未來展望

  這項工作表明，非線性光學過程的可編程控制不僅可行，而且實用。雖然原型器件存在一些局限性，包括相對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路徑。使用不同材料、優(yōu)化層厚度以及采用高溫退火來減少吸收，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，也適用于具有更緊密光學約束的通道波導，轉(zhuǎn)換效率提高了四十倍。進一步展望，將可編程方法納入諧振結(jié)構(gòu)可能會將性能推向超越當前最先進集成非線性器件的水平。

  這些影響遠不止改進的規(guī)格參數(shù)?？删幊谭蔷€性光子技術(shù)可以帶來全新的應用，其中器件必須在不同功能之間快速切換或持續(xù)適應變化的條件。潛在應用包括用于量子計算的可編程量子門、用于光通信的可重構(gòu)頻率轉(zhuǎn)換器、用于超快科學的自適應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。通過打破一個器件一種功能的模式，這項技術(shù)讓非線性光學器件能夠像電子對應物一樣靈活和可重構(gòu)。

  參考文獻

  [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.