JQI的研究人员设计并测试了一种新型芯片，该芯片能够可靠地将一种颜色的光（如上图左下角的橙色脉冲所示）转换为多种颜色的光（如右下角从芯片射出的红色、绿色、蓝色和深灰色脉冲所示）。

过去几十年间，研究人员在利用光实现各类科学与工业应用方面取得了快速进展。从制造精确度惊人的时钟到处理数据中心内高速传输的千兆字节级信息，对能够可靠生成和操控光的交钥匙技术的需求已形成一个价值数千亿美元的全球市场。

科学家们长期面临的一个难题是如何制造出可集成到芯片上的紧凑光源，这将极大简化与现有硬件的整合。特别是，研究人员一直致力于设计能将单色激光转化为全彩光谱的芯片——这是构建特定量子计算机及进行频率或时间精密测量不可或缺的关键技术。

如今，JQI的研究人员设计并测试了新型芯片，能够稳定地将单色光转化为三色光谱。令人惊叹的是，这些芯片无需任何主动输入或繁琐优化即可运行——这相较于以往方法实现了重大突破。该团队已将研究成果发表在《科学》期刊上。

新型芯片属于光子器件范畴，它们能够捕获单个光子（光的量子粒子）。这类器件能对光子流进行分离、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方式。

研究人员表示：“将集成光子学用作片上光源的主要障碍之一是缺乏多功能性和可重复性，研究团队在克服这些限制方面取得了重大进展。”

光子芯片如何创造新颜色

新型光子器件远不止是棱镜。棱镜将多色光分解为其组成颜色（或频率），而这些芯片则能添加入射光中原本不存在的新颜色。在芯片上直接生成新频率的光，节省了原本需要额外激光器占用的空间和能量。更重要的是，许多情况下，能发出这些新生频段的激光器甚至尚未存在。

在芯片上生成新光频的能力，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（如棱镜效应）。相反，当光被高度聚焦时会引发非线性交互作用——光改变器件行为，器件反过来改变光的特性。这种反馈机制能产生多种频率的光谱，这些光谱可从芯片输出端收集，用于测量、同步或其他多种任务。

嵌套频率-相位匹配实现高产率谐波生成

遗憾的是，非线性相互作用通常非常微弱。 1961年，人们首次观测到非线性光学过程，但其强度微弱到论文发表过程中，有人误将关键数据当作污迹，并将其从论文主图中移除。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频率加倍的光子。相关过程还能使入射光频率倍增至三倍、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。最初的实验仅需将激光照射在石英晶体上，利用其天然电学特性即可实现。如今研究人员则依赖精心设计的芯片，这些芯片通过定制光子谐振器实现精确调控。谐振器将光束引导至紧密循环路径，使其在释放前循环数万乃至数百万次。单次穿过谐振器仅产生微弱的非线性作用，但多次穿过则能叠加出显著增强的效果。然而，若试图通过单个谐振器产生特定的新频谱，仍需权衡取舍。

频率匹配的挑战

研究人员解释：“若想同时实现二次谐波生成、三次谐波生成和四次谐波生成——难度会越来越大，通常需要进行补偿，或者牺牲其中一项：要获得良好的三次谐波生成就无法实现二次谐波生成，反之亦然?！?

为规避此类权衡困境，哈菲兹与JQI研究员卡蒂克·斯里尼瓦桑携手马里兰大学（UMD）电气与计算机工程系教授扬·切姆博，率先开创了利用协同工作的微型谐振器阵列增强非线性效应的技术。他们在早期研究中证明，由数百个微型环形器组成的阵列芯片能够放大非线性效应，并引导光沿边缘传播。去年，他们证实采用这种网格结构的芯片能将脉冲激光转化为嵌套式频梳——这种具有多个等间距频率的光束可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形状需要多次迭代，且仅部分芯片最终成功实现预期功能。

嵌套谐波的空间与频谱检测

仅有部分芯片能正常工作的事实，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，要使光频倍增，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特定音调会产生共鸣，光学谐振腔也只承载特定频率的光子——其频率由腔体尺寸和形状决定。但当谐振腔频率被锁定后，还必须确保光子在腔内以相同速度循环。否则光子将失去同步，导致转换效率下降。

这些要求统称为频率-相位匹配条件。要制造出实用器件，研究人员必须同时满足这两项条件。遗憾的是，不同芯片间存在纳米级的微小差异——即便是全球顶尖芯片制造商也无法避免——这些差异会略微改变谐振频率或改变光子的循环速度。这些细微变化足以破坏芯片中精密调校的参数，使设计无法投入量产。

其中一位作者将这种困境比作观测日食的概率?！叭粝胝嬲慷萌帐?，意味着抬头望天时月亮必须与太阳重合，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?！?/span>

频率-相位匹配条件中的微小偏差可通过主动补偿来调整谐振器的材料特性。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。

双时标谐振器阵列的突破性进展

在最新研究中，研究团队发现，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率-相位匹配条件的概率——即无需主动补偿或反复设计迭代。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。

谐波与嵌套结构光谱特征的泵浦波长依赖性

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循环，形成快速时间尺度；而所有微环共同构成的“超环”则使光线以更慢速度循环。芯片内存在这两种时间尺度，对频率-相位匹配条件产生了此前未被重视的重要影响。研究人员无需再依赖精密设计和主动补偿来实现特定频率-相位匹配条件，这两种时间尺度为培育必要交互提供了多重机会。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。

研究人员对同一晶圆上制造的六种不同芯片进行了测试：他们发射标准190 THz频率的激光，从上方成像观察芯片，并分析输出端口发出的频率。结果发现每种芯片确实产生了二次、三次和四次谐波——对应输入激光的颜色分别是红、绿、蓝光。他们还测试了三种单环装置。即使在器件中嵌入加热器进行主动补偿，也仅有一款器件能在加热器温度和输入频率的狭窄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，却能在相对宽广的输入频率范围内工作。研究人员还发现，当他们提高输入光强度时，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。

对光子学及未来研究的启示

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。其优势在于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。

研究人员解释道“我们以被动方式极大程度地缓解了这些对准问题，无需加热器，系统自然运行。这解决了困扰业界的长期难题。”

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