光子器件是基于光子學(xué)原理開發(fā)的功能器件，利用光子具備的超高速、高并行性、低損耗等特性。傳統(tǒng)光子器件雖能實現(xiàn)光子流的分離、引導(dǎo)、放大和干涉，但功能受限于固定操作模式，難以批量穩(wěn)定生產(chǎn)。
此次研發(fā)的光子芯片通過非線性光-物質(zhì)相互作用，直接生成輸入光中原本不存在的新頻率光。這一過程不僅減少了對多個激光器的依賴，還拓展了光頻率的可實現(xiàn)范圍。
此前研究中，單一諧振器在生成多頻率光時存在顯著局限。為克服非線性效應(yīng)微弱的難題，研究團(tuán)隊采用光子諧振器設(shè)計，使光在芯片中循環(huán)多次，通過效應(yīng)疊加放大輸出信號。同時，團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出微小諧振器陣列協(xié)同工作的方案：由數(shù)百個微環(huán)組成的陣列可引導(dǎo)光沿邊緣傳播，并將脈沖激光高效轉(zhuǎn)化為多頻率光。
同時，在測試中，研究人員向6塊同一晶圓上的芯片輸入標(biāo)準(zhǔn)190THz激光，所有芯片均成功生成二、三、四次諧波光，分別對應(yīng)紅、綠、藍(lán)三色光。相比之下，采用嵌入式加熱器的3塊單環(huán)芯片中，僅1塊在有限條件下實現(xiàn)了二次諧波生成。
團(tuán)隊分析指出，陣列中“小環(huán)”與“超環(huán)”的差異化循環(huán)速度，使光子更易滿足頻率轉(zhuǎn)換的相位匹配條件，從而實現(xiàn)被動自適應(yīng)調(diào)節(jié)。此外，隨著輸入光強度增加，芯片還可生成更多頻率的光，展現(xiàn)出類似多頻激光器的效果。這種無需主動干預(yù)的特性，顯著提升了設(shè)備穩(wěn)定性與生產(chǎn)一致性。
該技術(shù)突破為光學(xué)領(lǐng)域帶來多項潛在價值。在量子計算中，多頻率光可作為高精度量子態(tài)操控的基礎(chǔ)資源；在光學(xué)計量領(lǐng)域，芯片的頻率轉(zhuǎn)換能力有望提升測量精度與設(shè)備集成度。同時，其批量化生產(chǎn)的可行性也為非線性光學(xué)計算、低功耗光通信等方向提供了新思路。
這一成果標(biāo)志著光子芯片從“被動元件”向“主動功能單元”的跨越，未來或?qū)⑦M(jìn)一步推動光電子器件的微型化與多功能化發(fā)展。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《科學(xué)》雜志。
資料參考來源：科技日報
