摘要：过去数十年间，科研人员在驾驭光能以实现各类科学与工业应用方面取得了快速进展。从制造超高精度时钟到处理数据中心飞速传输的拍字节级信息，对可靠生成与操控光的“交钥匙”技术的需求，已形成价值数千亿美元的全球市场。
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过去数十年间，科研人员在驾驭光能以实现各类科学与工业应用方面取得了快速进展。从制造超高精度时钟到处理数据中心飞速传输的拍字节级信息，对可靠生成与操控光的“交钥匙”技术的需求，已形成价值数千亿美元的全球市场。
科学家长期面临的挑战在于，创建可集成于芯片的紧凑光源，这将极大简化与现有硬件的整合。特别是，研究人员长期致力于设计能将单色激光转化为多色光谱的芯片——这是构建特定类型量子计算机以及进行频率或时间精密测量的必要组件。
如今，美国联合量子研究所 (JQI) 的研究团队设计并测试了新型芯片，可稳定实现单色光向三色光的转化。令人惊叹的是，这些芯片无需任何主动输入或繁复优化即可运行，较以往方法实现了重大突破。
新型芯片属于光子器件的范畴，这类器件能捕获单个光子（光的量子粒子）。光子器件可对光子流进行分离、路由、放大及干涉操作，其原理类似于电子器件对电子流的操控。
“集成光子学作为芯片光源面临的主要障碍在于缺乏多功能性和可重复性，”JQI研究员、美国马里兰大学电气与计算机工程系Minta Martin讲席教授兼物理学教授穆罕默德·哈菲兹 (Mohammad Hafezi) 指出，“我们团队已朝着突破这些限制迈出了重要一步。”
新型光子器件不仅是棱镜。棱镜将多色光分解为其构成色或频率，而这些芯片能添加入射光中本不存在的全新颜色。 在芯片上直接生成新光频，可节省额外激光器占用的空间和能耗。更重要的是，在许多情况下，能发出新生频段的激光器甚至尚未存在。
要在芯片上生成新光频，需要特殊的光学交互作用——这是科研人员数十年来持续探索的领域。通常，光与光子器件的交互呈线性关系，即光线可被折射或吸收，但频率不变（如棱镜原理）。而当光线被高度聚焦时，会引发非线性交互：光线改变器件的行为，进而改变光本身。 这种反馈效应可催生多种频率，这些频率可从芯片输出端采集，用于测量、同步或其他任务。
遗憾的是，非线性相互作用通常极其微弱。1961年首次观测到的非线性光学过程就极其微弱，以至于参与论文出版流程的人员误将关键数据当作污迹，将其从论文的主图中删除了。 那抹“污迹”正是二次谐波生成的微妙印记——该过程将两个低频光子转化为一个高频光子。相关效应还能将入射光频率提升至三倍、四倍乃至更高。
自二次谐波生成首次被观测以来，科学家们不断探索增强光子器件中非线性相互作用强度的方法。在最初的实验中，尖端技术仅需将激光照射在石英晶体上，利用其天然的电学特性即可实现。如今，研究人员则依赖精心设计的芯片，这些芯片通过光子谐振器进行定制。 谐振器将光束引导至紧密的循环中，使其在释放前循环数万乃至数百万次。每次通过谐振器都会产生微弱的非线性相互作用，而多次循环则会叠加出更强烈的效应。然而，若试图通过单个谐振器产生特定的新频段，仍需权衡取舍。
“若想同时实现二次谐波、三次谐波和四次谐波生成——难度将呈几何级增长，”论文第一作者、JQI前博士后研究员（现任美国麻省理工学院研究科学家）马哈茂德·贾拉利·梅赫拉巴德 (Mahmoud Jalali Mehrabad) 指出，“通常需要权衡取舍：为获得优质三次谐波生成而牺牲二次谐波，反之亦然。”
为规避部分权衡取舍，哈菲兹与JQI研究员卡蒂克·斯里尼瓦桑 (Kartik Srinivasan)（他同时也是美国国家标准与技术研究院院士）携手美国马里兰大学（UMD）电气与计算机工程系教授扬·切姆博 (Yanne Chembo)，率先开创了利用协同工作的微型谐振器阵列来增强非线性效应的方法。他们在早期研究中展示了由数百个微型环形器组成的谐振器阵列芯片，能够放大非线性效应并引导光沿边缘传播。 去年他们进一步证明，这种网格结构的芯片可将脉冲激光转化为嵌套式频率梳——这种具有等间距多频段的光波被用于各类高精度测量。然而，要设计出能生成目标精确频梳的芯片，需要经过多次迭代调整形状，且仅有部分芯片能正常工作。
芯片成功率偏低的事实，恰恰揭示了非线性器件研发中令人抓狂的“碰运气”性质。设计光子芯片需要平衡多重因素才能实现倍频等效应。 首先，要实现光频倍增，非线性谐振腔必须同时支持原始频率与倍频。正如拨动吉他弦时仅能发出特定音调，光学谐振腔也仅能容纳特定频率的光子——其频率由腔体尺寸和形状决定。但当谐振腔锁定特定频率后，还必须确保这些频率以相同速度在腔内循环。否则，它们将相互失调，导致转换效率下降。
这些要求统称为频率-相位匹配条件。为制造实用器件，研究人员必须同时满足这两项条件。 遗憾的是，芯片间纳米级的微小差异——即便是全球顶尖的芯片制造商也无法避免——会略微改变谐振频率或改变光子循环速度。这些微小变化足以冲淡芯片中精密调校的参数，使设计无法投入量产。
“一位作者将这种困境比作观测日食的概率。若想真正目睹日食，意味着抬头望天时月亮必须与太阳完全重合，”共同首席作者、JQI物理学研究生徐丽达 (Lida Xu) 解释道。要从光子芯片中获得可靠的非线性效应，同样需要这种偶然的契合。
频率-相位匹配条件中的微小偏差可通过主动补偿技术克服，该技术通过调节谐振器的材料特性来实现。 但这需要嵌入微型加热器——这种方案既增加了设计复杂度，又需要独立电源供电。
在新研究中，徐丽达、梅赫拉巴德及其团队发现，先前研究中使用的谐振器阵列本身，就能以被动方式提高满足频相匹配条件的概率——即无需主动补偿或反复设计。他们没有试图精确设计所需频率并反复迭代芯片设计，而是退一步思考：谐振器阵列能否在所有芯片上产生稳定的非线性效应？ 验证时他们惊喜地发现：当输入光频率约为190 THz（电信与光纤通信的标准频率）时，芯片能产生二阶、三阶甚至四阶谐波。
深入探究后，他们发现所有芯片均能工作的关键在于谐振器阵列的结构设计。光线在阵列中的微环内快速环行，形成高速时间尺度；而所有微环共同构成的“超环”则使光线以更慢的速度环行。 芯片中存在这两种时间尺度，对频率-相位匹配条件产生了重要影响——这是他们此前未曾察觉的关键因素。研究人员发现，无需依赖精密设计和主动补偿来实现特定频率-相位匹配条件，两种时间尺度为培育必要相互作用提供了多重机会。 换言之，这两种时间尺度本质上实现了“免费”的频率-相位匹配。
研究团队对同一晶圆上制造的六款不同芯片进行了测试：输入标准190 THz频率的激光，从上方成像观察芯片，并分析输出端口的光频谱。他们发现每块芯片确实能产生第二、第三和第四次谐波——对应输入激光的红、绿、蓝三色光。 研究团队还测试了三款单环器件，即使配备了用于主动补偿的嵌入式加热器，也仅有一款器件能在狭窄的加热器温度和输入频率范围内产生二次谐波。相比之下，双时标谐振器阵列无需主动补偿，且能在相对宽广的输入频率范围内工作。 研究人员甚至发现，当他们调高输入光强度时，芯片开始在每个谐波周围产生更多频率，这令人联想到先前实验中产生的嵌套式频梳。
作者指出，该框架对已应用集成光子学的领域具有广泛意义，尤其在计量学、频率转换和非线性光学计算方面。更难得的是，该方案无需繁琐的主动调谐或精密工程设计即可满足频率-相位匹配条件。
“我们以被动方式极大程度地缓解了这些对准难题，”梅赫拉巴德强调，“无需加热器，也无需加热装置。它们自然就能工作，这解决了长期存在的难题。”
过去几十年，光子芯片的设计者们一直在追求一种近乎不可能的精确。他们试图在纳米尺度上复刻“日食”般的完美对准，并依赖主动加热等复杂手段来修正微小的制造偏差。但这种对“完美”的执着，反而成了量产的瓶颈。JQI团队的突破在于，他们不再强求单一的完美，而是利用阵列的集体物理特性，创造出一种“必然”的契合。当一个“超环”结构提供了多种“免费”的匹配可能时，那困扰业界已久的对准难题，便以一种被动、自然的方式迎刃而解。
从量子计算到精密测量，你认为这项“调色”技术还有哪些应用潜力？欢迎在评论区聊聊。
作者：克里斯·切萨雷
来源：无敌浩克一点号
