Photonics Research专题:集成光子芯片上的非线性过程

李明 戴道锌 (浙江大学)

光学非线性过程在经典与量子信息处理过程中都发挥着至关重要的作用,可应用于调制器、光开关、频率转换、激光、量子光源与逻辑门等器件。一般来说,材料的非线性系数很弱,比如二阶非线性系数在10-12m/V量级,三阶非线性系数在10-20m2/V2量级,因此在自然界中很难观测到非线性光学效应。

图1. 硅波导中的双偏振频率转换 (Photon. Res. 6(5), B23-B29 (2018))

传统的非线性光学器件使用强激光泵浦非线性晶体,尺寸大、能耗高,不具备可扩展性。近年来,在集成光子芯片上研究非线性光学效应获得了越来越多的关注。集成光子芯片具有尺寸小、稳定性高、可扩展性强等优点。此外,微纳加工技术能灵活控制器件的形状、尺寸、色散等参数,可在光子芯片上设计光学波导、光子晶体、光学微腔等结构,大大增强了非线性相互作用的强度,从而提高光子器件的性能并降低能耗。

图2. 集成的光频梳 (Photon. Res. 6(5), B30-B36 (2018))

不同的非线性器件功能可由不同的材料平台实现。材料平台主要包括硅、铌酸锂、氮化铝、玻璃等。以研究最广泛的硅材料为例,它具有很高的三阶非线性系数(高于玻璃两个数量级)和折射率(3.4),在低功率泵浦下就能观测到非线性效应。目前已经在硅平台上实现了高速的全光开关、频率转换、光频梳、隔离器、量子纠缠光源等功能。特别的,硅加工技术与CMOS工艺兼容,成本低,开发硅基的非线性光子芯片具有潜在的商业价值。

目前,限制该平台发展的主要原因是硅材料的双光子吸收和自由载流子吸收效应。幸运的是,硅材料与许多其他材料兼容,比如传统的半导体材料、氮化硅、硫系玻璃、纳米晶体、有机聚合物、二维材料等,由此在硅平台上衍生出了许多复合结构,能够提升硅光子器件的性能并弥补其不足。除了硅之外,铌酸锂平台得益于其高二阶非线性系数和宽透明窗口(可见、红外),也获得了很多关注。随着其加工工艺的提升,相信该材料能在该领域发挥越来越重要的作用。

图3. 硅-石墨烯复合结构中光的非局域操控 (Acs Nano, 8 (11), 11386–11393 (2014))

鉴于非线性集成光子学吸引了学者们广泛的研究兴趣,并具有广阔的应用前景,光子学领域代表性期刊《Photonics Research》出版Nonlinear Integrated Photonics专题,发表了11篇来自国内外知名课题组的高质量论文,展示了目前该领域最新的研究成果,如丹麦技术大学的Da Ros课题组在硅基芯片上实现了双偏振频率转换、伦敦国王学院的Wurtz课题组研究了近零介电常数介质微腔支持的全光开关、普林斯顿大学的Sitawarin等人研究了超表面上的频率转换、新加坡技术与设计大学的D. Tan课题组探讨了氮化硅在非线性集成光子芯片中的应用等。