集成光子器件同时实现两种非线性光学效应

德国马克斯·普朗克光科学研究所领导的国际研究团队提出一种新的光子芯片设计方案，突破了单一材料限制，将氮化硅和二氧化硅结合到同一器件中，在国际上首次在氮化硅集成光子平台实现拉曼散射，并生成覆盖超过400纳米波段的宽带光学频率梳，为开发新型片上光源和拓展光子芯片光学功能提供了新思路。相关成果发表于新一期《先进光子学》杂志。

光子芯片通常依靠单一材料实现特定光学功能，但不同材料各有优势，也存在局限。氮化硅具有光损耗低、工作波段宽等特点，是重要的集成光子材料之一，但其自身拉曼增益较弱，难以直接实现拉曼散射。

此次，研究团队设计了一种集成光子器件，将原本分别发生在不同材料中的两种非线性光学效应集成到同一芯片中。该器件由氮化硅环形谐振器和二氧化硅包层组成，其中氮化硅用于产生光学频率梳，二氧化硅提供拉曼增益。由于部分光场会自然延伸至包层，光能够同时与两种材料相互作用，从而实现两种光学效应的结合。

实验中，研究人员首次在氮化硅集成光子平台上观察到拉曼散射现象。输入连续激光后，输出光中出现相对于泵浦光频率偏移约11太赫兹的新信号，且该频率间隔始终保持不变，证实拉曼效应来自二氧化硅包层。

随着输入功率增加，器件内部发生四波混频等非线性过程，最终形成宽带光学频率梳。研究人员优化波导尺寸后，获得覆盖超过400纳米波段的频率梳，并在多个拉曼频移波段同时产生梳状光谱。

实验结果与理论计算高度一致。研究人员预测，拉曼散射产生的阈值约为140毫瓦，实验测得实际阈值为143毫瓦，进一步证明器件中的拉曼增益确实来自二氧化硅包层。

虽然目前获得的光学频率梳尚未达到完全相干状态，但该系统已实现超过32%的光功率转换效率。研究人员表示，未来通过进一步优化器件设计，有望提升频率梳的相干性和转换效率。

这项成果展示了一种新的集成光子芯片设计思路：未来不必依赖单一材料实现所有功能，而可以将具有不同优势的材料结合起来，实现更多光学功能。该方法未来有望用于构建片上宽带超连续谱光源、自参考光学频率梳等新型光子器件，进一步拓展集成光子芯片的应用范围。