氮化硅微谐振器中的光学可重构准相位匹配

洛桑联邦理工学院由 Camille Brès 教授领导的光子系统实验室的研究人员成功应用了一种将二阶光学非线性引入氮化硅芯片的新原理。相关研究发表在《Nature Photonics》上。

当前的科学技术正日益向小型化和节能方向发展，这也适用于电子芯片。光，更广泛地说是光学，在制造紧凑便携的芯片方面发挥着作用。准相位匹配长期以来一直是非线性光子学中广泛使用的方法，可实现高效的参数频率转换，例如二次谐波生成。然而，在硅光子学中，这项任务仍然具有挑战性，因为最适合光子集成的材料缺乏二阶磁化率 (χ(2))，并且实现动量守恒的方法有限。

图注，Si3N4微谐振器中的光致准相位匹配图。来源：EPFL

为此，研究人员提出了大半径氮化硅微谐振器中的光学可重构准相位匹配，产生高达 12.5-mW 的片上二次谐波产生的功率和 47.6% W-1 的转换效率。最重要的是，他们表明这种全光极化可以不受模式间相位匹配的约束，从而产生广泛可调的二次谐波。通过微谐振器内刻录的χ(2) 光栅结构的双光子成像以及在全光极化期间对泵浦和二次谐波模式谐振的原位跟踪来确认该现象，这些结果明确表明，负责全光极化的光电效应可以克服相位失配约束，即使在谐振系统中也是如此。

“例如，当使用绿色激光指示器时，激光器本身不是绿色的，因为它们特别难以制造，所以我们改变了现有激光器的频率。它的发射频率是绿色的一半，然后我们将其加倍通过在给我们绿色的晶体中使用非线性。我们的研究包括集成这个功能，但是在可以用为电子开发的标准技术（CMOS）制造的芯片上。因此，我们将能够有效地在芯片上产生不同颜色的光”Camille Brès 解释道。这里所演示的方法以前从未实施过，与CMOS工艺兼容的当前光子芯片使用标准光子材料，如硅，它们不具有二阶非线性，因此无法以这种方式转换光。”事实证明，这是阻碍技术进步的一个障碍，”这位教授补充道。

工程学院的科学家们开发了一种诱导非线性的技术，该技术用于在通常不可能的情况下转换光。此外，为了使这种转换有效，他们使用了谐振器——一种放大光所经历的非线性过程的环形结构。氮化硅谐振器的技术是在 EPFL 建立的，现在由 Ligentec SA 商业化，具有非常低的损耗，因此光在谐振器中循环很长时间。 “非线性来自光与物质之间的相互作用。如果要使过程有效且高效，这种交换必须很长。然而，芯片是一个小物体，我们无法从长距离中受益。” Edgars Nitiss博士和共同第一作者解释道。引入谐振器的光被捕获，并在增加非线性相互作用所需的时间内传播。

“由于这项技术，芯片的效率得到显着提高，但是施加了新的约束。使用谐振器时，我们在可用颜色方面受到限制，”Camille Brès 说。“实际上，非线性效应的有效性还取决于不同相互作用颜色之间的相位一致性，而它们不可避免地具有不同的传播速度。就像高速公路上有两辆车。我们希望在快车道上的一辆减速，而另一辆加速，以便它们可以彼此相邻滚动，从而进行交互，”胡建奇博士和共同第一作者说。这通常仅在谐振器中非常受限的情况下才能实现。研究人员找到了一种解决方案来避免这种限制，并在使用谐振器的情况下提供多种颜色的访问范围。“在谐振器中，光波传播产生改变材料特性的相干相互作用。该结构的自组织是以完全全光学的方式实现的，无论输入颜色如何，它都会自动补偿相位失配。因此，我们规避了谐振器的关键限制，同时仍然受益于它们强大的效率提升，”研究人员总结道。