他们首创光子“魔法调色盘”，实现非线性光学过程100%良率

近日，南京大学本科校友、美国马里兰大学博士生徐李达和所在团队设计了一种基于拓扑光子学和微腔频率梳的快慢双时钟系统，让光既可以在微环内快速循环，又可以在超级环的边缘缓慢流动。

这个巧妙的结构形成了密集的光学模式网络，让红外光可以同时高效转化为二次、三次甚至四次谐波，在芯片上被动生成从红外到蓝紫的绚丽光谱。

这项嵌套相位匹配技术突破了制造精度的限制，对于非线性光学过程实现了 100% 的芯片良率，为下一代量子光源、原子钟和光谱检测技术打开了新大门，相关论文发表于 Science。

论文共同一作徐李达告诉 DeepTech：“以前的方法好比是用手枪子弹去击中一个飞出的飞盘，难度极高；而本次新方法则像是换用了霰弹枪，一次射出众多弹丸，击中飞盘的概率自然变得非常高。”

图 | 徐李达（来源：徐李达）

研究中，该团队首次在商用氮化硅光芯片平台上观测到了四阶非线性光学效应，即成功从 1,550 纳米的通讯光波段产生了蓝光。

这颇具象征意义，因为历史上蓝光发光二极管的发明者就曾获得诺贝尔奖，而本次团队在一个被认为难以产生强非线性效应的主流集成光学平台上实现了蓝光产生，证明了此次方案的强大能力。

当光在芯片里合唱

要理解本次技术，首先得知道光的一个小秘密，它们喜欢通过合作来创造出新的光。可以把一束光想象成一支训练有素的合唱团。每个光也就是光的最小单位就像是一位歌手。当这些歌手以特定的音高和节奏（也就是频率和相位）一起歌唱时，它们就能产生奇妙的和声也就是新的光。

比如，两个红色的歌手合作，可能会产生一个蓝色的歌手，这个过程便叫做非线性光学过程。本次团队在激光表演中看到的五彩斑斓的颜色，就是通过类似原理产生的。

但是，在微小的芯片上组织这样一场合唱非常困难。芯片上用来约束光的结构，比如微小的环形谐振腔，对于尺寸的要求极其苛刻。哪怕制造过程中出现几纳米的误差，就像合唱团的某位歌手出现了一个跑调的音符，会让整个和声效果完全消失。

这就导致在生产线上制造出来的成千上万颗芯片中，只有极少数幸运儿可以完美的工作。其他都会因为微小的制造差异而出现失声，这也成为了该领域技术迈向更广泛应用路上的一块绊脚石。

（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu6368）

建造一个快慢钟楼式的光子迷宫

这个难题也让追求非线性光学芯片在流片上百分百的良率成为幻想。为此，本次团队换了一个思路：与其要求环境绝对完美，不如设计一个本身就能容忍更多不完美的系统。他们的系统就如同钟楼，其通常有多根指针：秒针、分针和时针。秒针就是快时钟，它由单个微型环形成。

光在这个小环里以极快的速度跑圈，每跑一圈的时间为 1 皮秒，决定了它的基本节奏。上百个小环再由拓扑阵列的方式耦合在一起，在整个阵列边缘形成了一个巨大的超级环，而这个超级环就组成了时针。光在这个超级环的边缘通道里传播一圈的时间要慢得多仅有 250 皮秒。

这个由 10x10 个小环组成的二维阵列，就是一个精心设计的光子迷宫。它不像以前的单环结构那样只有一个固定的音阶，而是拥有一个由快时钟和慢时钟共同构成的、非常密集的频率网络。

就像钢琴上不仅有白键、还有黑键，从而能让音阶更加丰富和灵活一样，在这个迷宫里光有了更多的音符可以选择，它不再只能在一个精准的音高上唱歌，而是在某一小段的音高范围内，都能有机会找到合作伙伴。

本次团队给这个新方法起了个名字：嵌套频率-相位匹配。其中，嵌套就是指快慢时钟套在一起的样子。

（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu6368）

跨越两个八度的光谱交响

在上述迷宫建好之后，他们将一束看不见的红外激光（波长在通信波段，大约为 1,550 纳米）作为“魔法杖”注入了光子迷宫之中。接下来，发生了令人惊叹的现象：

首先是神奇的变色，从芯片的出口处他们探测到了各种新产生的光。其中，二次谐波就像是两个红外歌手手拉手，合并成了一个能量加倍、波长减半的歌手，发出了大约 775 纳米的红色的光；三次谐波就像是三个红外歌手合作，产生了大约 517 纳米的绿色的光；四次谐波就好比四个红外歌手合作产生了大约 388 纳米的蓝紫色的光。

这意味着，从一束看不见的红外光开始，这块小小的芯片在不需要任何外部帮助的被动情况下就产生了一场横跨两个八度的光谱交响乐。

（来源：徐李达）

其次发生了光的运动，这些被创造出来的彩色光芒，并非充满了整个芯片，而是仅仅被被限制在超级环的边缘通道里流动。

即使通道有 90 度的急转弯，光也能顺利地溜过去，几乎不会泄露到中间的空地上，这证明光确实是在那个由慢时钟定义的迷宫边缘里运动的。

再次是产生了光谱特征，当他们仔细分析这些光的颜色也就是光谱时，看到了嵌套结构的直接证据。在每一个由快时钟决定的粗线条谱线内部，都充满了由慢时钟定义的、更加清晰的谱线结构。

这就像你使用粗笔画了一条线，仔细观察却发现这条线其实是由无数根细密的绒毛组成的，而这正是双重时钟在和谐工作时的特征。

（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu6368）

100% 成功率，简单即强大

那么，这到底有多厉害？该团队在多个不同芯片上测试了基于同样设计方案打造的光子迷宫。尽管由于制造误差导致每个芯片的音准都有细微的偏移（有的达到 1.6 纳米），但是每一块芯片都成功、稳定地产生了所有的谐波。

这就像是一个匠人生产了一批小提琴，尽管每一把的木料和琴弦略有不同，但将每一把拿起来都能直接演奏出悦耳的曲调，完全不需要调音师，成功率达到 100%。

传统的单环结构就像在钢丝上走路，稍有不稳就会掉下去。而嵌套迷宫就像在一条宽阔的大桥上行走，即使你稍微左右摇晃，也依然可以安全抵达对岸。这种被动容错的能力，是本次技术的核心突破。

它不需要进行复杂的后处理比如安装微型加热器来调校频率，也无需复杂的电子控制，这让其更加省电、更加稳定，也更容易集成到未来的各种设备中。

（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu6368）

除了在实验室造光，还能做什么？

这项成果虽然属于基础研究，但其应用前景非常明确。

首先，最直接的应用就是利用此次提出的设计原则，去提升各类集成非线性光学器件的良品率。这意味着未来无论是用于光通信、光谱检测还是量子信息处理的非线性光子芯片，都能实现更稳定、更低成本的大规模制造。

其次，本次方案具有极强的普适性。它虽然是在氮化硅平台上验证的，但其核心思想“通过拓扑阵列结构来放宽相位匹配条件”并不依赖于特定材料。这一设计原理可以推广到铌酸锂等其他热门的光子学平台。

第三，这项技术为在芯片上产生更高阶的非线性光如紫外光打开了大门。如前所述，该团队首次在氮化硅平台上产生了蓝光（四阶非线性），这证明该架构有能力去触及以往难以实现的高阶非线性过程。

如果沿着这个方向深入研究，未来完全有可能在集成光芯片上高效产生紫外光等更短波长的光，这将为芯片级生化传感、医疗消毒和高精度光刻等技术开辟新的路径。

（来源：徐李达）

总的来说，此次成果不仅是一个实验上的成功，更是一种设计思想的转变。他们不再与无法完全消除的制造误差死磕，而是选择通过设计一个系统来拥抱不完美，利用更复杂的结构来化解简单结构的脆弱性。

未来，他们计划将拓扑阵列设计原则，从氮化硅推广到其他更具潜力的光学材料上，例如目前非常热门的铌酸锂。铌酸锂本身具有强大的二阶非线性效应，并且其光学性质可以通过电场进行调控。

同时，研究团队不仅满足于能产生多种颜色的光，更希望像分配糖果一样，主动、动态地调控不同谐波（二次、三次、四次谐波）之间的产生比例。如果未来能基于此造出一个集成光源，就能像按动一支多色圆珠笔那样，按下一个按钮就能输出你想要的那种颜色。

目前，他们只探测到了蓝光（四阶非线性），但这很可能不是极限。“由于实验设备的检测灵敏度限制，我们或许错过了更高阶的非线性效应。下一步，我们计划提升检测能力，去探寻是否能在芯片上产生更深度的紫外光。”徐李达表示。

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu6368

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