他們首創光子“魔法調色盤”，實現非線性光學過程100%良率

近日，南京大學本科校友、美國馬里蘭大學博士生徐李達和所在團隊設計了一種基于拓撲光子學和微腔頻率梳的快慢雙時鐘系統，讓光既可以在微環內快速循環，又可以在超級環的邊緣緩慢流動。

這個巧妙的結構形成了密集的光學模式網絡，讓紅外光可以同時高效轉化為二次、三次甚至四次諧波，在芯片上被動生成從紅外到藍紫的絢麗光譜。

這項嵌套相位匹配技術突破了制造精度的限制，對于非線性光學過程實現了 100% 的芯片良率，為下一代量子光源、原子鐘和光譜檢測技術打開了新大門，相關論文發表于 Science。

論文共同一作徐李達告訴 DeepTech：“以前的方法好比是用手槍子彈去擊中一個飛出的飛盤，難度極高；而本次新方法則像是換用了霰彈槍，一次射出眾多彈丸，擊中飛盤的概率自然變得非常高。”

圖 | 徐李達（來源：徐李達）

研究中，該團隊首次在商用氮化硅光芯片平臺上觀測到了四階非線性光學效應，即成功從 1,550 納米的通訊光波段產生了藍光。

這頗具象征意義，因為歷史上藍光發光二極管的發明者就曾獲得諾貝爾獎，而本次團隊在一個被認為難以產生強非線性效應的主流集成光學平臺上實現了藍光產生，證明了此次方案的強大能力。

當光在芯片里合唱

要理解本次技術，首先得知道光的一個小秘密，它們喜歡通過合作來創造出新的光。可以把一束光想象成一支訓練有素的合唱團。每個光也就是光的最小單位就像是一位歌手。當這些歌手以特定的音高和節奏（也就是頻率和相位）一起歌唱時，它們就能產生奇妙的和聲也就是新的光。

比如，兩個紅色的歌手合作，可能會產生一個藍色的歌手，這個過程便叫做非線性光學過程。本次團隊在激光表演中看到的五彩斑斕的顏色，就是通過類似原理產生的。

但是，在微小的芯片上組織這樣一場合唱非常困難。芯片上用來約束光的結構，比如微小的環形諧振腔，對于尺寸的要求極其苛刻。哪怕制造過程中出現幾納米的誤差，就像合唱團的某位歌手出現了一個跑調的音符，會讓整個和聲效果完全消失。

這就導致在生產線上制造出來的成千上萬顆芯片中，只有極少數幸運兒可以完美的工作。其他都會因為微小的制造差異而出現失聲，這也成為了該領域技術邁向更廣泛應用路上的一塊絆腳石。

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

建造一個快慢鐘樓式的光子迷宮

這個難題也讓追求非線性光學芯片在流片上百分百的良率成為幻想。為此，本次團隊換了一個思路：與其要求環境絕對完美，不如設計一個本身就能容忍更多不完美的系統。他們的系統就如同鐘樓，其通常有多根指針：秒針、分針和時針。秒針就是快時鐘，它由單個微型環形成。

光在這個小環里以極快的速度跑圈，每跑一圈的時間為 1 皮秒，決定了它的基本節奏。上百個小環再由拓撲陣列的方式耦合在一起，在整個陣列邊緣形成了一個巨大的超級環，而這個超級環就組成了時針。光在這個超級環的邊緣通道里傳播一圈的時間要慢得多僅有 250 皮秒。

這個由 10x10 個小環組成的二維陣列，就是一個精心設計的光子迷宮。它不像以前的單環結構那樣只有一個固定的音階，而是擁有一個由快時鐘和慢時鐘共同構成的、非常密集的頻率網絡。

就像鋼琴上不僅有白鍵、還有黑鍵，從而能讓音階更加豐富和靈活一樣，在這個迷宮里光有了更多的音符可以選擇，它不再只能在一個精準的音高上唱歌，而是在某一小段的音高范圍內，都能有機會找到合作伙伴。

本次團隊給這個新方法起了個名字：嵌套頻率-相位匹配。其中，嵌套就是指快慢時鐘套在一起的樣子。

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

跨越兩個八度的光譜交響

在上述迷宮建好之后，他們將一束看不見的紅外激光（波長在通信波段，大約為 1,550 納米）作為“魔法杖”注入了光子迷宮之中。接下來，發生了令人驚嘆的現象：

首先是神奇的變色，從芯片的出口處他們探測到了各種新產生的光。其中，二次諧波就像是兩個紅外歌手手拉手，合并成了一個能量加倍、波長減半的歌手，發出了大約 775 納米的紅色的光；三次諧波就像是三個紅外歌手合作，產生了大約 517 納米的綠色的光；四次諧波就好比四個紅外歌手合作產生了大約 388 納米的藍紫色的光。

這意味著，從一束看不見的紅外光開始，這塊小小的芯片在不需要任何外部幫助的被動情況下就產生了一場橫跨兩個八度的光譜交響樂。

（來源：徐李達）

其次發生了光的運動，這些被創造出來的彩色光芒，并非充滿了整個芯片，而是僅僅被被限制在超級環的邊緣通道里流動。

即使通道有 90 度的急轉彎，光也能順利地溜過去，幾乎不會泄露到中間的空地上，這證明光確實是在那個由慢時鐘定義的迷宮邊緣里運動的。

再次是產生了光譜特征，當他們仔細分析這些光的顏色也就是光譜時，看到了嵌套結構的直接證據。在每一個由快時鐘決定的粗線條譜線內部，都充滿了由慢時鐘定義的、更加清晰的譜線結構。

這就像你使用粗筆畫了一條線，仔細觀察卻發現這條線其實是由無數根細密的絨毛組成的，而這正是雙重時鐘在和諧工作時的特征。

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

100% 成功率，簡單即強大

那么，這到底有多厲害？該團隊在多個不同芯片上測試了基于同樣設計方案打造的光子迷宮。盡管由于制造誤差導致每個芯片的音準都有細微的偏移（有的達到 1.6 納米），但是每一塊芯片都成功、穩定地產生了所有的諧波。

這就像是一個匠人生產了一批小提琴，盡管每一把的木料和琴弦略有不同，但將每一把拿起來都能直接演奏出悅耳的曲調，完全不需要調音師，成功率達到 100%。

傳統的單環結構就像在鋼絲上走路，稍有不穩就會掉下去。而嵌套迷宮就像在一條寬闊的大橋上行走，即使你稍微左右搖晃，也依然可以安全抵達對岸。這種被動容錯的能力，是本次技術的核心突破。

它不需要進行復雜的后處理比如安裝微型加熱器來調校頻率，也無需復雜的電子控制，這讓其更加省電、更加穩定，也更容易集成到未來的各種設備中。

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

除了在實驗室造光，還能做什么？

這項成果雖然屬于基礎研究，但其應用前景非常明確。

首先，最直接的應用就是利用此次提出的設計原則，去提升各類集成非線性光學器件的良品率。這意味著未來無論是用于光通信、光譜檢測還是量子信息處理的非線性光子芯片，都能實現更穩定、更低成本的大規模制造。

其次，本次方案具有極強的普適性。它雖然是在氮化硅平臺上驗證的，但其核心思想“通過拓撲陣列結構來放寬相位匹配條件”并不依賴于特定材料。這一設計原理可以推廣到鈮酸鋰等其他熱門的光子學平臺。

第三，這項技術為在芯片上產生更高階的非線性光如紫外光打開了大門。如前所述，該團隊首次在氮化硅平臺上產生了藍光（四階非線性），這證明該架構有能力去觸及以往難以實現的高階非線性過程。

如果沿著這個方向深入研究，未來完全有可能在集成光芯片上高效產生紫外光等更短波長的光，這將為芯片級生化傳感、醫療消毒和高精度光刻等技術開辟新的路徑。

（來源：徐李達）

總的來說，此次成果不僅是一個實驗上的成功，更是一種設計思想的轉變。他們不再與無法完全消除的制造誤差死磕，而是選擇通過設計一個系統來擁抱不完美，利用更復雜的結構來化解簡單結構的脆弱性。

未來，他們計劃將拓撲陣列設計原則，從氮化硅推廣到其他更具潛力的光學材料上，例如目前非常熱門的鈮酸鋰。鈮酸鋰本身具有強大的二階非線性效應，并且其光學性質可以通過電場進行調控。

同時，研究團隊不僅滿足于能產生多種顏色的光，更希望像分配糖果一樣，主動、動態地調控不同諧波（二次、三次、四次諧波）之間的產生比例。如果未來能基于此造出一個集成光源，就能像按動一支多色圓珠筆那樣，按下一個按鈕就能輸出你想要的那種顏色。

目前，他們只探測到了藍光（四階非線性），但這很可能不是極限。“由于實驗設備的檢測靈敏度限制，我們或許錯過了更高階的非線性效應。下一步，我們計劃提升檢測能力，去探尋是否能在芯片上產生更深度的紫外光。”徐李達表示。

參考資料：

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

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