一種由光改進的光學芯片。

隨著技術日益向小型化和節能方向發展，電子芯片的發展也日趨先進。光以及更廣泛的光在製造緊湊的便攜式芯片方麵發揮著作用。最近，由Camille Brès教授領導的光子係統實驗室的研究人員成功地應用了一種新原理，將二階光學非線性引入氮化矽芯片。這項研究首次發表在《Nature Photonics》雜誌上。

不同顏色的光

激光本身不是綠色，但為(wei) 什麽(me) 研究人員製造出了綠色的激光筆呢？對此，Camille Brès教授有解答。他說：

“綠色的激光特別難以製造，所以我們(men) 改變了現有激光器的頻率。它發射的頻率是綠色的一半，通過晶體(ti) 中的非線性使其加倍，便得到了綠光。我們(men) 的研究包括集成這一功能，但在芯片上，可以與(yu) 標準技術開發的電子產(chan) 品(CMOS)。多虧(kui) 了它，我們(men) 將能夠有效地在芯片上產(chan) 生不同顏色的光，”這種演示的方法以前從(cong) 未實現過。

目前兼容CMOS工藝的光子芯片使用標準的光子材料，如矽，它不具有二階非線性，因此本質上不能以這種方式轉換光。“事實證明，這是技術進步的一個(ge) 障礙。”這位教授補充道。

氮化矽微諧振器的光誘導準相位匹配圖。

一個(ge) 放大器戒指

工程學院的科學家們(men) 開發了一種誘導非線性的技術，用來在通常不可能做到的地方轉換光。此外，為(wei) 了使這種轉換有效，他們(men) 使用了一種諧振器——一種可以放大光的非線性過程的環形結構。氮化矽諧振器技術由EPFL創立，已由Ligentec SA公司商業(ye) 化。光能在諧振器中循環很長時間，使它具有非常低的損耗。引入諧振器的光被捕獲，並傳(chuan) 播非線性相互作用增加所需的時間。“非線性來自於(yu) 光和物質之間的相互作用。如果要使流程具有功能性和效率，這個(ge) 交換必須很長。然而，芯片是一個(ge) 很小的物體(ti) ，我們(men) 不能從(cong) 遠距離中受益。”研究人員之一edgar Nitiss博士解釋道。

AOP的實驗。

高速公路上有兩(liang) 輛車

“由於(yu) 這種技術，芯片的效率大大提高。但是新的限製被強加了。當使用諧振器時，我們(men) 在可用的顏色方麵受到限製。”Camille Brès說，“事實上，非線性效應的有效性也取決(jue) 於(yu) 不同相互作用的顏色之間的相位一致性，然而它們(men) 不可避免地有不同的傳(chuan) 播速度。就像高速公路上的兩(liang) 輛車。我們(men) 希望在快車道上的一輛能減速，而另一輛能加速，這樣它們(men) 就能緊靠在一起，相互影響。”

通過可重構準相位匹配χ(2)光柵產(chan) 生SH。

“在諧振器中，這通常隻在非常有限的情況下才能實現。研究人員找到了一個(ge) 解決(jue) 方案，以避免這種限製，並提供了幾種顏色的範圍。在諧振器中，光波傳(chuan) 播，產(chan) 生相幹相互作用，改變材料的性質。結構的自組織以全光學的方式實現，自動補償(chang) 相位失配而不管輸入顏色。因此，我們(men) 繞過了諧振器的關(guan) 鍵限製，同時仍然受益於(yu) 其強大的效率提高。”研究人員總結道。

146 GHz Si3N4微諧振器中基於(yu) 泵浦和SH4模相互作用的SH產(chan) 生和χ（2）光柵特性。

來源：Optically reconfigurable quasi-phase-matching in silicon nitridemicroresonators, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-021-00925-5