新型集成光子器件：解锁一种产生光频率的新方法

现代光子芯片能将复杂的光学功能集成到比指甲盖还小的器件上，并越来越多地用于产生、操控和测量光，应用涵盖从通信到传感的诸多领域。但这类芯片大多依赖单一材料承担核心工作，这限制了它们能够产生的光学效应范围。

如今，研究人员展示了一种不同思路：让两种材料分工协作。据《Advanced Photonics》报道，科学家将通常各自独立发生的两种非线性光学效应结合了起来。他们的器件以氮化硅为芯产生光学频率梳，同时利用外围的二氧化硅层产生拉曼散射。

通过同步发挥两种材料各自的优势，团队研制出一种新型集成光子器件，能够在芯片上产生范围宽广的光频率。

将包层用作活性材料

乍看之下，思路似乎很简单。在光子回路中传输的光通常集中在波导的纤芯内，周围的包层主要起束缚光线的作用。研究人员意识到，部分循环的光会自然延伸到包层中。他们并未将此区域视为被动结构，而是对器件进行了专门设计，使光能与包层发生强烈的相互作用。

提出了一种利用纤芯与包层材料的混合非线性，在集成系统中产生超连续谱的模型。包层中的二次谐波产生（SHG）与纤芯材料中的四波混频（FWM）共同作用，产生超连续谱。

结果便是一个混合系统，其中的每种材料贡献不同的能力。二氧化硅提供拉曼增益——在这一过程中，光与分子振动相互作用，并以新的频率出射。氮化硅则以强克尔非线性而著称，这种非线性可以产生光学频率梳——即一组精确等间距的光频率，常被称为光学标尺。

该器件由一个氮化硅环形谐振器及包围它的二氧化硅组成。约31%的循环光场与包层重叠，使得光在绕环传输时能够与两种材料相互作用。

这一安排实现了此前在氮化硅集成光子学中未曾观察到的现象：拉曼激射。虽然氮化硅因低光学损耗和宽工作波段而已成为集成光子学最重要的材料之一，但它本身并不具备足够的拉曼增益。通过从二氧化硅包层借助这一能力，研究人员得以克服该局限。

从拉曼信号到频率梳

为验证这一概念，团队制作了覆有二氧化硅的氮化硅环形谐振器，并用连续波激光器对其进行泵浦。激光进入谐振器后，在与泵浦波长相距11太赫兹的频率处出现了一个新信号——这正是二氧化硅中拉曼散射的特征。

当研究人员改变泵浦波长时，新信号随之移动并保持相同的频率间隔，从而证实了这一效应的来源。

实验揭示了器件内部光学行为逐级演化的过程。最初，谐振器产生被称为斯托克斯和反斯托克斯边带的拉曼激光信号。随着输入功率增加，另一种非线性过程——四波混频开始在氮化硅纤芯中占据主导。新的频率出现在原激光波长附近以及拉曼产生的光附近。最终，这些频率倍增成为宽阔的光学频率梳。

此后，研究人员通过调整氮化硅波导尺寸进一步改善了性能。波导宽度的微小增加改变了不同波长在谐振器中的传输方式，使光学模式能够更高效地相互作用。改进后的设计产生了跨度超过400纳米的频率梳，不仅在泵浦波长周围生成了梳齿线，还在多个拉曼频移波长附近生成了梳齿线。

测量结果与理论预测高度吻合。研究人员计算出，片上光功率约140毫瓦时应开始出现拉曼激射。实验测得的阈值为143毫瓦，有力地表明拉曼效应确实源自二氧化硅包层。

光子芯片的更广阔设计路线

虽然所产生的频率梳并非完全相干，但系统实现了超过32%的功率转换效率，意味着相当大一部分输入光被转换为新的频率。研究人员相信，通过进一步设计器件，可在保持高效率的同时提高相干性。

除直接成果外，这项工作还为光子芯片指明了一种更广阔的设计理念：未来的器件不必寻找能完美胜任一切的单一材料，而可将多种材料组合起来，每种材料对应特定的光学功能。作者提出，类似的混合系统可以集成具有不同非线性特性的材料，从而实现片上宽带超连续谱光源或自参考频率梳等新能力。

这项研究表明，通常被视为支撑结构的层可以成为光子器件中的积极参与者。通过将二氧化硅包层转化为拉曼增益的来源，并与氮化硅纤芯产生频率梳的能力相结合，研究人员为拓展集成光子回路的功能开辟了一条新路径。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.ap.8.4.046008