光子器件是基于光子學(xué)原理開(kāi)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(shí)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(guò)非線(xiàn)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(guò)程不僅減少了對(duì)多個(gè)激光器的依賴(lài)，還拓展了光頻率的可實(shí)現(xiàn)范圍。
此前研究中，單一諧振器在生成多頻率光時(shí)存在顯著局限。為克服非線(xiàn)性效應(yīng)微弱的難題，研究團(tuán)隊(duì)采用光子諧振器設(shè)計(jì)，使光在芯片中循環(huán)多次，通過(guò)效應(yīng)疊加放大輸出信號(hào)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(gè)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(shí)，在測(cè)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(duì)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(shí)現(xiàn)了二次諧波生成。
團(tuán)隊(duì)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(mǎn)足頻率轉(zhuǎn)換的相位匹配條件，從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。此外，隨著輸入光強(qiáng)度增加，芯片還可生成更多頻率的光，展現(xiàn)出類(lèi)似多頻激光器的效果。這種無(wú)需主動(dòng)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(lái)多項(xiàng)潛在價(jià)值。在量子計(jì)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(jì)量領(lǐng)域，芯片的頻率轉(zhuǎn)換能力有望提升測(cè)量精度與設(shè)備集成度。同時(shí)，其批量化生產(chǎn)的可行性也為非線(xiàn)性光學(xué)計(jì)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(dòng)元件”向“主動(dòng)功能單元”的跨越，未來(lái)或?qū)⑦M(jìn)一步推動(dòng)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(lái)源：科技日?qǐng)?bào)
