他們首創(chuàng)光子“魔法調(diào)色盤”，實(shí)現(xiàn)非線性光學(xué)過程100%良率

近日，南京大學(xué)本科校友、美國(guó)馬里蘭大學(xué)博士生徐李達(dá)和所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于拓?fù)涔庾訉W(xué)和微腔頻率梳的快慢雙時(shí)鐘系統(tǒng)，讓光既可以在微環(huán)內(nèi)快速循環(huán)，又可以在超級(jí)環(huán)的邊緣緩慢流動(dòng)。

這個(gè)巧妙的結(jié)構(gòu)形成了密集的光學(xué)模式網(wǎng)絡(luò)，讓紅外光可以同時(shí)高效轉(zhuǎn)化為二次、三次甚至四次諧波，在芯片上被動(dòng)生成從紅外到藍(lán)紫的絢麗光譜。

這項(xiàng)嵌套相位匹配技術(shù)突破了制造精度的限制，對(duì)于非線性光學(xué)過程實(shí)現(xiàn)了 100% 的芯片良率，為下一代量子光源、原子鐘和光譜檢測(cè)技術(shù)打開了新大門，相關(guān)論文發(fā)表于 Science。

論文共同一作徐李達(dá)告訴 DeepTech：“以前的方法好比是用手槍子彈去擊中一個(gè)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(dá)（來源：徐李達(dá)）

研究中，該團(tuán)隊(duì)首次在商用氮化硅光芯片平臺(tái)上觀測(cè)到了四階非線性光學(xué)效應(yīng)，即成功從 1,550 納米的通訊光波段產(chǎn)生了藍(lán)光。

這頗具象征意義，因?yàn)闅v史上藍(lán)光發(fā)光二極管的發(fā)明者就曾獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而本次團(tuán)隊(duì)在一個(gè)被認(rèn)為難以產(chǎn)生強(qiáng)非線性效應(yīng)的主流集成光學(xué)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光產(chǎn)生，證明了此次方案的強(qiáng)大能力。

當(dāng)光在芯片里合唱

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

比如，兩個(gè)紅色的歌手合作，可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)藍(lán)色的歌手，這個(gè)過程便叫做非線性光學(xué)過程。本次團(tuán)隊(duì)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(chǎn)生的。

但是，在微小的芯片上組織這樣一場(chǎng)合唱非常困難。芯片上用來約束光的結(jié)構(gòu)，比如微小的環(huán)形諧振腔，對(duì)于尺寸的要求極其苛刻。哪怕制造過程中出現(xiàn)幾納米的誤差，就像合唱團(tuán)的某位歌手出現(xiàn)了一個(gè)跑調(diào)的音符，會(huì)讓整個(gè)和聲效果完全消失。

這就導(dǎo)致在生產(chǎn)線上制造出來的成千上萬(wàn)顆芯片中，只有極少數(shù)幸運(yùn)兒可以完美的工作。其他都會(huì)因?yàn)槲⑿〉闹圃觳町惗霈F(xiàn)失聲，這也成為了該領(lǐng)域技術(shù)邁向更廣泛應(yīng)用路上的一塊絆腳石。

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

建造一個(gè)快慢鐘樓式的光子迷宮

這個(gè)難題也讓追求非線性光學(xué)芯片在流片上百分百的良率成為幻想。為此，本次團(tuán)隊(duì)換了一個(gè)思路：與其要求環(huán)境絕對(duì)完美，不如設(shè)計(jì)一個(gè)本身就能容忍更多不完美的系統(tǒng)。他們的系統(tǒng)就如同鐘樓，其通常有多根指針：秒針、分針和時(shí)針。秒針就是快時(shí)鐘，它由單個(gè)微型環(huán)形成。

光在這個(gè)小環(huán)里以極快的速度跑圈，每跑一圈的時(shí)間為 1 皮秒，決定了它的基本節(jié)奏。上百個(gè)小環(huán)再由拓?fù)潢嚵械姆绞今詈显谝黄穑谡麄€(gè)陣列邊緣形成了一個(gè)巨大的超級(jí)環(huán)，而這個(gè)超級(jí)環(huán)就組成了時(shí)針。光在這個(gè)超級(jí)環(huán)的邊緣通道里傳播一圈的時(shí)間要慢得多僅有 250 皮秒。

這個(gè)由 10x10 個(gè)小環(huán)組成的二維陣列，就是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的光子迷宮。它不像以前的單環(huán)結(jié)構(gòu)那樣只有一個(gè)固定的音階，而是擁有一個(gè)由快時(shí)鐘和慢時(shí)鐘共同構(gòu)成的、非常密集的頻率網(wǎng)絡(luò)。

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(gè)迷宮里光有了更多的音符可以選擇，它不再只能在一個(gè)精準(zhǔn)的音高上唱歌，而是在某一小段的音高范圍內(nèi)，都能有機(jī)會(huì)找到合作伙伴。

本次團(tuán)隊(duì)給這個(gè)新方法起了個(gè)名字：嵌套頻率-相位匹配。其中，嵌套就是指快慢時(shí)鐘套在一起的樣子。

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

跨越兩個(gè)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(zhǎng)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(fā)生了令人驚嘆的現(xiàn)象：

首先是神奇的變色，從芯片的出口處他們探測(cè)到了各種新產(chǎn)生的光。其中，二次諧波就像是兩個(gè)紅外歌手手拉手，合并成了一個(gè)能量加倍、波長(zhǎng)減半的歌手，發(fā)出了大約 775 納米的紅色的光；三次諧波就像是三個(gè)紅外歌手合作，產(chǎn)生了大約 517 納米的綠色的光；四次諧波就好比四個(gè)紅外歌手合作產(chǎn)生了大約 388 納米的藍(lán)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(dòng)情況下就產(chǎn)生了一場(chǎng)橫跨兩個(gè)八度的光譜交響樂。

（來源：徐李達(dá)）

其次發(fā)生了光的運(yùn)動(dòng)，這些被創(chuàng)造出來的彩色光芒，并非充滿了整個(gè)芯片，而是僅僅被被限制在超級(jí)環(huán)的邊緣通道里流動(dòng)。

即使通道有 90 度的急轉(zhuǎn)彎，光也能順利地溜過去，幾乎不會(huì)泄露到中間的空地上，這證明光確實(shí)是在那個(gè)由慢時(shí)鐘定義的迷宮邊緣里運(yùn)動(dòng)的。

再次是產(chǎn)生了光譜特征，當(dāng)他們仔細(xì)分析這些光的顏色也就是光譜時(shí)，看到了嵌套結(jié)構(gòu)的直接證據(jù)。在每一個(gè)由快時(shí)鐘決定的粗線條譜線內(nèi)部，都充滿了由慢時(shí)鐘定義的、更加清晰的譜線結(jié)構(gòu)。

這就像你使用粗筆畫了一條線，仔細(xì)觀察卻發(fā)現(xiàn)這條線其實(shí)是由無數(shù)根細(xì)密的絨毛組成的，而這正是雙重時(shí)鐘在和諧工作時(shí)的特征。

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

100% 成功率，簡(jiǎn)單即強(qiáng)大

那么，這到底有多厲害？該團(tuán)隊(duì)在多個(gè)不同芯片上測(cè)試了基于同樣設(shè)計(jì)方案打造的光子迷宮。盡管由于制造誤差導(dǎo)致每個(gè)芯片的音準(zhǔn)都有細(xì)微的偏移（有的達(dá)到 1.6 納米），但是每一塊芯片都成功、穩(wěn)定地產(chǎn)生了所有的諧波。

這就像是一個(gè)匠人生產(chǎn)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(diào)，完全不需要調(diào)音師，成功率達(dá)到 100%。

傳統(tǒng)的單環(huán)結(jié)構(gòu)就像在鋼絲上走路，稍有不穩(wěn)就會(huì)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(dá)對(duì)岸。這種被動(dòng)容錯(cuò)的能力，是本次技術(shù)的核心突破。

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

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

除了在實(shí)驗(yàn)室造光，還能做什么？

這項(xiàng)成果雖然屬于基礎(chǔ)研究，但其應(yīng)用前景非常明確。

首先，最直接的應(yīng)用就是利用此次提出的設(shè)計(jì)原則，去提升各類集成非線性光學(xué)器件的良品率。這意味著未來無論是用于光通信、光譜檢測(cè)還是量子信息處理的非線性光子芯片，都能實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更低成本的大規(guī)模制造。

其次，本次方案具有極強(qiáng)的普適性。它雖然是在氮化硅平臺(tái)上驗(yàn)證的，但其核心思想“通過拓?fù)潢嚵薪Y(jié)構(gòu)來放寬相位匹配條件”并不依賴于特定材料。這一設(shè)計(jì)原理可以推廣到鈮酸鋰等其他熱門的光子學(xué)平臺(tái)。

第三，這項(xiàng)技術(shù)為在芯片上產(chǎn)生更高階的非線性光如紫外光打開了大門。如前所述，該團(tuán)隊(duì)首次在氮化硅平臺(tái)上產(chǎn)生了藍(lán)光（四階非線性），這證明該架構(gòu)有能力去觸及以往難以實(shí)現(xiàn)的高階非線性過程。

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

（來源：徐李達(dá)）

總的來說，此次成果不僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)上的成功，更是一種設(shè)計(jì)思想的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)來?yè)肀Р煌昝溃酶鼜?fù)雜的結(jié)構(gòu)來化解簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的脆弱性。

未來，他們計(jì)劃將拓?fù)潢嚵性O(shè)計(jì)原則，從氮化硅推廣到其他更具潛力的光學(xué)材料上，例如目前非常熱門的鈮酸鋰。鈮酸鋰本身具有強(qiáng)大的二階非線性效應(yīng)，并且其光學(xué)性質(zhì)可以通過電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控。

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

目前，他們只探測(cè)到了藍(lán)光（四階非線性），但這很可能不是極限。“由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的檢測(cè)靈敏度限制，我們或許錯(cuò)過了更高階的非線性效應(yīng)。下一步，我們計(jì)劃提升檢測(cè)能力，去探尋是否能在芯片上產(chǎn)生更深度的紫外光。”徐李達(dá)表示。

參考資料：

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

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍