一颗光子芯片，两种材料，解锁光频率生成新方案

现代光子芯片能够将复杂光学功能集成到比指甲盖还小的器件上。这类芯片正越来越多地用于光的生成、操控与检测，应用场景覆盖通信、传感等诸多领域。但绝大多数这类芯片都依靠单一材料承担主要工作，限制了它们能够实现的光学效应范围。

如今研究人员提出了一种全新思路：让两种材料分工协作。相关成果发表于《Advanced Photonics》，科研人员将两种原本独立发生的非线性光学效应结合在一起。该器件利用氮化硅芯层产生光频梳，外围二氧化硅包层则实现拉曼散射。该团队同时发挥两种材料的优势，研制出一类新型集成光子器件，可在单芯片上生成宽范围光频率。

将包层用作有源材料

乍看之下，这个思路十分简单。光子线路中传输的光通常集中在波导芯层内，外围包层主要起到束缚光线的作用。研究人员发现，部分循环传播的光会自然扩散至包层区域。他们没有把该区域当作无源结构，而是对器件进行设计，让光可以和包层产生强相互作用。

模型示意图：利用芯层‑包层材料混合非线性效应，在集成系统中产生超连续谱。包层内的二次谐波产生（SHG）与芯层材料的四波混频（FWM）共同生成超连续谱。

由此得到一套混合系统，两种材料各自实现不同功能。二氧化硅提供拉曼增益，也就是光与分子振动相互作用，生成新频率光的过程。而氮化硅具备优异的克尔非线性效应，可产生光频梳 —— 一组间隔精确的光频率，常被称作 “光学标尺”。

该器件由被二氧化硅包裹的氮化硅环形谐振腔构成。约31%的循环光场会与包层发生交叠，光线在环内传播时，可以同时和两种材料产生作用。

这种结构实现了氮化硅集成光子领域此前从未观测到的现象：拉曼激光。氮化硅光损耗低、工作波段广，已经成为集成光子领域最重要的材料之一，但它本身无法提供足够的拉曼增益。研究人员借助二氧化硅包层补足这一能力，突破了该限制。

从拉曼信号到光频梳

为验证该方案，研究人员制备了带二氧化硅镀层的氮化硅环形谐振腔，使用连续波激光对其泵浦。激光进入谐振腔后，出现了相对于泵浦波长偏移11太赫兹的新信号，这正是二氧化硅拉曼散射的特征。

研究人员改变泵浦波长时，新信号随之偏移，同时保持固定的频率间隔，证实该效应来源于拉曼散射。

实验观测到器件内部光学行为的逐级演变。一开始，谐振腔产生斯托克斯与反斯托克斯边带这类拉曼激光信号。随着输入功率提升，氮化硅芯层内部，四波混频这一非线性效应开始占据主导。在原始激光波长附近、拉曼效应生成的光信号附近，不断涌现出新频率。最终，大量新频率拓展形成宽带光频梳。

研究人员调整氮化硅波导尺寸，进一步优化器件性能。小幅增加波导宽度，改变不同波长在谐振腔内的传播特性，让各个光学模式之间的相互作用效率提升。优化后的器件生成的光频梳带宽超过400纳米，梳齿不仅出现在泵浦波长周边，也出现在多处拉曼频移波长周边。

实测结果和理论预测高度吻合。理论计算得出，芯片上光功率达到约140毫瓦时就会触发拉曼激光；实验测得阈值为143毫瓦，有力证明拉曼效应确实来自二氧化硅包层。

光子芯片的通用新思路

尽管生成的光频梳并未实现完全相干，但这套系统功率转换效率超过32%，有很大一部分入射光被转换为新频率光。研究人员认为，继续优化器件结构，有望在保留效率的同时提升相干性。

除本次实验成果之外，该研究也为光子芯片提供了更通用的设计思路。不必寻找一种全能材料，未来器件可以组合多种材料，每种材料针对特定光学功能选型。论文作者表示，类似混合系统可以集成不同非线性特性的材料，实现芯片级宽带超连续光源、自参考光频梳等全新功能。

该研究证明，以往只被视作支撑结构的材料层，也可以成为光子器件的有源功能部分。研究人员将二氧化硅包层转化为拉曼增益源，搭配氮化硅芯层的光频梳生成能力，为拓展集成光子线路的性能开辟了新路径。