隨著技術日益向小型化和節(jié)能方向發(fā)展，電子芯片的發(fā)展也日趨先進。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教授領導的光子系統(tǒng)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硅芯片。這項研究發(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，可以與標準技術開發(fā)的電子產品(CMOS)。多虧了它，我們將能夠有效地在芯片上產生不同顏色的光，”這種演示的方法以前從未實現(xiàn)過。

目前兼容CMOS工藝的光子芯片使用標準的光子材料，如硅，它不具有二階非線性，因此本質上不能以這種方式轉換光?！笆聦嵶C明，這是技術進步的一個障礙?！边@位教授補充道。

氮化硅微諧振器的光誘導準相位匹配圖

一個放大器戒指

工程學院的科學家們開發(fā)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，為了使這種轉換有效，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)形結構。氮化硅諧振器技術由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間?！胺蔷€性來自于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，這個交換必須很長。然而，芯片是一個很小的物體，我們不能從遠距離中受益?！毖芯咳藛T之一edgar Nitiss博士解釋道。

AOP的實驗

高速公路上有兩輛車

“由于這種技術，芯片的效率大大提高。但是新的限制被強加了。當使用諧振器時，我們在可用的顏色方面受到限制?！盋amille Brès說，“事實上，非線性效應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>

通過可重構準相位匹配χ(2)光柵產生SH

“在諧振器中，這通常只在非常有限的情況下才能實現(xiàn)。研究人員找到了一個解決方案，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，產生相干相互作用，改變材料的性質。結構的自組織以全光學的方式實現(xiàn)，自動補償相位失配而不管輸入顏色。因此，我們繞過了諧振器的關鍵限制，同時仍然受益于其強大的效率提高?！毖芯咳藛T總結道。

146 GHz Si3N4微諧振器中基于泵浦和SH4模相互作用的SH產生和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