隨著技術(shù)日益向小型化和節(jié)能方向發(fā)展，電子芯片的發(fā)展也日趨先進(jìn)。光以及更廣泛的光在制造緊湊的便攜式芯片方面發(fā)揮著作用。最近，由Camille Brès教授領(lǐng)導(dǎo)的光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的研究人員成功地應(yīng)用了一種新原理，將二階光學(xué)非線性引入氮化硅芯片。這項(xiàng)研究發(fā)表在《Nature Photonics》雜志上。

圖片來源：EPFL

不同顏色的光

激光本身不是綠色，但為什么研究人員制造出了綠色的激光筆呢？對(duì)此，Camille Brès教授有解答。他說：“綠色的激光特別難以制造，所以我們改變了現(xiàn)有激光器的頻率。它發(fā)射的頻率是綠色的一半，通過晶體中的非線性使其加倍，便得到了綠光。我們的研究包括集成這一功能，但在芯片上，可以與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)開發(fā)的電子產(chǎn)品(CMOS)。多虧了它，我們將能夠有效地在芯片上產(chǎn)生不同顏色的光，”這種演示的方法以前從未實(shí)現(xiàn)過。

目前兼容CMOS工藝的光子芯片使用標(biāo)準(zhǔn)的光子材料，如硅，它不具有二階非線性，因此本質(zhì)上不能以這種方式轉(zhuǎn)換光?！笆聦?shí)證明，這是技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)障礙?！边@位教授補(bǔ)充道。

氮化硅微諧振器的光誘導(dǎo)準(zhǔn)相位匹配圖

一個(gè)放大器戒指

工程學(xué)院的科學(xué)家們開發(fā)了一種誘導(dǎo)非線性的技術(shù)，用來在通常不可能做到的地方轉(zhuǎn)換光。此外，為了使這種轉(zhuǎn)換有效，他們使用了一種諧振器——一種可以放大光的非線性過程的環(huán)形結(jié)構(gòu)。氮化硅諧振器技術(shù)由EPFL創(chuàng)立，已由Ligentec SA公司商業(yè)化。光能在諧振器中循環(huán)很長時(shí)間，使它具有非常低的損耗。引入諧振器的光被捕獲，并傳播非線性相互作用增加所需的時(shí)間?！胺蔷€性來自于光和物質(zhì)之間的相互作用。如果要使流程具有功能性和效率，這個(gè)交換必須很長。然而，芯片是一個(gè)很小的物體，我們不能從遠(yuǎn)距離中受益?！毖芯咳藛T之一edgar Nitiss博士解釋道。

AOP的實(shí)驗(yàn)

高速公路上有兩輛車

“由于這種技術(shù)，芯片的效率大大提高。但是新的限制被強(qiáng)加了。當(dāng)使用諧振器時(shí)，我們?cè)诳捎玫念伾矫媸艿较拗?。”Camille Brès說，“事實(shí)上，非線性效應(yīng)的有效性也取決于不同相互作用的顏色之間的相位一致性，然而它們不可避免地有不同的傳播速度。就像高速公路上的兩輛車。我們希望在快車道上的一輛能減速，而另一輛能加速，這樣它們就能緊靠在一起，相互影響?！?/p>

通過可重構(gòu)準(zhǔn)相位匹配χ(2)光柵產(chǎn)生SH

“在諧振器中，這通常只在非常有限的情況下才能實(shí)現(xiàn)。研究人員找到了一個(gè)解決方案，以避免這種限制，并提供了幾種顏色的范圍。在諧振器中，光波傳播，產(chǎn)生相干相互作用，改變材料的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)的自組織以全光學(xué)的方式實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)補(bǔ)償相位失配而不管輸入顏色。因此，我們繞過了諧振器的關(guān)鍵限制，同時(shí)仍然受益于其強(qiáng)大的效率提高。”研究人員總結(jié)道。

146 GHz Si3N4微諧振器中基于泵浦和SH4模相互作用的SH產(chǎn)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