新型光子芯片：按需将激光转化为美丽多彩的光谱

在过去的几十年里，研究人员在利用光来实现各种科学和工业应用方面取得了快速进展。从创造极其精确的时钟到处理在数据中心快速流动的数PB的数据，能够可靠地产生和操控光的交钥匙技术的需求，已经形成了一个价值数千亿美元的全球市场。

一个困扰科学家的挑战是创造一种紧凑的光源，能够集成到芯片上，这使得与现有硬件的集成变得更加容易。特别是，研究人员长期以来一直寻求设计能够将一种颜色的激光光转换为多种额外颜色的芯片——这是构建某些类型量子计算机和进行频率或时间精确测量所必需的关键。

现在，JQI的研究人员设计并测试了新芯片，这些芯片能够可靠地将一种颜色的光转换为三种色调。值得注意的是，这些芯片在没有任何主动输入或繁琐优化的情况下都能正常工作，这标志着对以往方法的重大改进。团队在2025年11月6日的《科学》期刊上描述了他们的结果。

这些新芯片是光子设备的例子，能够控制单个光子，也就是光的量子粒子。光子设备可以分割、引导、放大和干涉光子流，就像电子设备操控电子流一样。

“将集成光子学作为芯片光源的主要障碍之一是缺乏多样性和可重复性，”JQI研究员Mohammad Hafezi说，他还是马里兰大学电气与计算机工程的Minta Martin教授和物理学教授。“我们的团队在克服这些限制上迈出了重要一步。”

光子芯片如何创造新颜色

新的光子设备不仅仅是简单的棱镜。棱镜将多色光分解成其组成颜色或频率，而这些芯片则能够产生入射光中没有的全新颜色。能够直接在芯片上生成新的光频率节省了通常需要额外激光器所占用的空间和能量。或许更重要的是，在许多情况下，发出新生成频率的激光器甚至不存在。

在芯片上生成新的光频率的能力需要特殊的相互作用，研究人员已经学习如何在过去几十年中进行这种工程设计。通常，光与光子设备之间的相互作用是线性的，这意味着光可以被弯曲或吸收，但其频率不会改变（如在棱镜中）。相反，当光被集中到如此强烈的程度以至于改变了设备的行为时，就会发生非线性相互作用，这反过来又改变了光。这种反馈可以生成多种不同的频率，这些频率可以从芯片的输出中收集并用于测量、同步或各种其他任务。

不幸的是，非线性相互作用通常非常微弱。非线性光学过程的首次观察是在1961年报告的，它是如此微弱，以至于参与出版过程的某人将关键数据误认为污点并将其从论文的主要图形中删除。那个污点其实是二次谐波生成的微弱信号，其中两个低频光子被转换为一个频率为双倍的光子。相关过程可以将入射光的频率三倍化、四倍化，等等。

自从首次观察到二次谐波生成以来，科学家们发现了增强光子设备中非线性相互作用强度的方法。在最初的演示中，最先进的技术只是将激光照射到一块石英上，利用晶体的自然电气特性。如今，研究人员依赖于精心设计的芯片，这些芯片配备了光子谐振器。谐振器以紧密的循环引导光，使其在释放之前循环数十万次或数百万次。每次通过谐振器的过程都会增加微弱的非线性相互作用，但多次旅行结合成一个更强的效果。然而，在尝试使用单个谐振器生成特定的新频率集时，仍然存在权衡。

匹配频率的挑战

“如果你想同时拥有二次谐波生成、三次谐波生成、四次谐波生成——这变得越来越困难，”论文的主要作者、前JQI博士后研究员、现为麻省理工学院研究科学家的Mahmoud Jalali Mehrabad说。“你通常需要做出一些妥协，或者牺牲其中一个来获得好的三次谐波生成，反之亦然。”

为了避免这些权衡，Hafezi 和 JQI 研究员 Kartik Srinivasan，以及马里兰大学 (UMD) 的电气与计算机工程教授 Yanne Chembo，之前开创了通过一组协同工作的微小谐振器来增强非线性效应的方式。他们在早期的研究中展示了一个由数百个微观环形结构排列成谐振器阵列的芯片如何 放大非线性效应并引导光沿其边缘传播。去年，他们展示了一个带有这种网格图案的芯片 可以将脉冲激光转化为嵌套频率梳——具有许多等间距频率的光，用于 各种高精度测量。然而，设计出能够生成他们所追求的精确频率梳的合适形状的芯片需要经过多次迭代，并且只有部分芯片实际上有效。

只有一小部分芯片有效的事实表明了与非线性设备打交道时那种令人恼火的碰运气性质。设计光子芯片需要平衡几个因素，以产生像频率倍增这样的效果。首先，为了将光的频率加倍，非线性谐振器必须同时支持原始频率和加倍频率。就像拨动的吉他弦只会发出某些音调一样，光学谐振器只会支持特定频率的光子，这些频率由其大小和形状决定。但是，一旦你设计出具有这些锁定频率的谐振器，你还必须确保它们以相同的速度在谐振器中循环。如果不这样，它们将会失去同步，转换的效率将会下降。

这些要求统称为频率与相位匹配条件。为了生产出有用的设备，研究人员必须同时安排这两个条件匹配。不幸的是，芯片之间微小的纳米级差异——即使是世界上最好的芯片制造商也无法避免——会稍微改变谐振频率或改变它们循环的速度。这些小变化足以冲淡芯片中精细调整的参数，使设计在大规模生产中变得无用。

其中一位作者将这种困境比作观察日食的可能性。“如果你想真正看到日食，那就意味着，当你抬头看天空时，月亮必须与太阳重叠，”共同首席作者、JQI 物理学研究生 Lida Xu 说。从光子芯片中获得可靠的非线性效应需要类似的偶然相遇。

频率与相位匹配条件中的小错位可以通过主动补偿来克服，这种补偿调整谐振器的材料特性。但这就需要在设计中加入小型嵌入式加热器——这种方案不仅让设计变得复杂，还需要单独的电源。

突破性进展：双时间尺度谐振器阵列

在这项新研究中，徐、Mehrabad及其同事发现，之前使用的谐振器阵列已经以被动方式提高了满足频率-相位匹配条件的可能性——也就是说，无需任何主动补偿或多次设计。

深入研究后，他们意识到所有芯片能够正常工作的原因与谐振器阵列的结构有关。光在阵列的小环中快速循环，形成了一个快速的时间尺度。但同时也形成了一个由所有小环构成的“超级环”，光在其周围的循环速度较慢。在芯片中拥有这两种时间尺度对频率-相位匹配条件产生了重要影响，而他们之前并未意识到。研究人员不再需要依赖细致的设计和主动补偿来安排特定的频率-相位匹配条件，这两种时间尺度为研究人员提供了多次机会来培养必要的相互作用。换句话说，这两种时间尺度本质上为频率-相位匹配提供了免费的条件。

研究人员通过发送标准190 THz频率的激光光束，测试了在同一晶圆上制造的六种不同芯片，并从上方成像分析输出端口的频率。他们发现每个芯片确实生成了二次、三次和四次谐波，而对于他们的输入激光，这些谐波恰好是红色、绿色和蓝色光。他们还测试了三种单环设备。即使在嵌入加热器以提供主动补偿的情况下，他们也仅在狭窄的加热器温度和输入频率范围内看到一台设备产生二次谐波。相比之下，双时间尺度谐振器阵列无需主动补偿，且在相对较宽的输入频率范围内有效工作。研究人员甚至展示了，当他们提高输入光的强度时，芯片开始在每个谐波周围产生更多频率，令人想起早期结果中创建的嵌套频率梳。

对光子学和未来研究的影响

作者表示，他们的框架可能会对已经在使用集成光子学的领域产生广泛影响，尤其是在计量学、频率转换和非线性光学计算等方面。而且这一切都无需主动调谐或精确工程来满足频率-相位匹配条件。

“我们在很大程度上同时放宽了这些对准问题，而且是以被动方式，”Mehrabad说。“我们不需要加热器；我们没有加热器。它们就是有效的。这解决了一个长期存在的问题。”

除了Mehrabad、Hafezi、Srinivasan（他也是国家标准与技术研究院的研究员）、Chembo和Xu，本文还有其他几位作者：JQI的副研究员Gregory Moille；曾在JQI攻读研究生、现为海军研究实验室研究员的Christopher Flower；JQI物理学的研究生Supratik Sarkar；JQI物理学的研究生Apurva Padhye；JQI物理学的研究生Shao-Chien Ou；曾是JQI博士后、现为马里兰大学巴尔的摩县分校物理学助理教授的Daniel Suarez-Forero；以及JQI的博士后Mahdi Ghafariasl。