原文来源：国际光学工程学会（SPIE），原文编辑：Sadie Harley，审校：Robert Egan；太赫兹研发网 杨平 编译

科研人员研制出新型集成光子器件，可在芯片上生成大范围光频段；器件以氮化硅芯区产生光学频率梳，外层二氧化硅包层实现拉曼散射。图源：Alekhya Ghosh

    现代光子芯片可将繁杂精密的光学功能集成在指甲盖大小的方寸器件之上，如今已广泛用于光的生成、调控与探测，应用场景覆盖光纤通信、精密传感等诸多领域。但绝大多数光子芯片均依靠单一材料承担全部核心光学工作，极大限制了器件可实现的非线性光学效应种类。

    为此科研团队提出全新协同设计思路：由两种光学材料分工协作、协同工作。相关成果发表于Advanced Photonics。研究人员将两类原本独立运行的非线性光学效应整合一体：器件内部氮化硅波导芯层负责生成光学频率梳，外围二氧化硅包覆层则产生拉曼散射效应。

    依托两种材料各自独特的光学优势，团队成功研制出这款新型集成光子器件，实现了单片芯片生成超宽波段光频率的能力。

    把传统被动包层转变为有源功能介质

    这套设计的核心逻辑看似简单：光子线路中传输的光线大多束缚在波导芯体内部，外围包层原本唯一作用就是约束光路、避免光线外泄，属于无光学活性的被动结构。科研团队发现，环形谐振腔内循环传播的光场会有一小部分自然渗透至包层区域。研究团队没有浪费这部分光场，而是优化器件结构，让渗入包层的光与二氧化硅产生强烈的光学耦合作用。

示意图原理：该方案利用波导芯层与包层材料的混合非线性效应，在集成光子系统中生成超连续谱；包层发生二次谐波产生（SHG），芯层产生四波混频效应（FWM），两类效应共同叠加催生超连续光谱。
图源：Advanced Photonics（2026），文献 DOI：10.1117/1.ap.8.4.046008

    这套混合光子体系里，两种材料各司其职：
    二氧化硅提供拉曼增益：光子和介质分子振动相互作用后，会转换为全新频率的光束；
    氮化硅凭借优异的克尔非线性效应，用来生成光学频率梳 —— 也就是间隔均匀排布的一系列离散光频，常被称作 “光学标尺”，多用于精密计量、光谱校准。

    器件核心结构为二氧化硅包裹的氮化硅环形谐振腔；腔内循环光场约有 31% 会和外层包层重叠，光线沿腔体循环传播时，可同时与氮化硅、二氧化硅两种材料发生相互作用。

    借助这一结构，团队首次在氮化硅集成光子体系中观测到了以往无法实现的拉曼激射现象。氮化硅凭借超低光损耗、适用光谱范围广的优势，是集成光子领域的主流核心材料，但它自身无法提供充足的拉曼增益；研究团队借用二氧化硅包层的拉曼增益特性，顺利突破了这一材料固有短板。

    演化路径：从拉曼光信号逐步生成宽带光学频率梳

    为验证方案可行性，研究团队制备了外层包覆二氧化硅的氮化硅环形谐振腔，采用连续激光泵浦激励器件。激光耦合进入谐振腔后，会激发出一束新的光信号，该信号相对泵浦光发生 11 太赫兹的频移，这正是二氧化硅拉曼散射的典型特征。

    研究人员更改泵浦光波长后，新生光信号波长同步偏移，二者始终维持固定频差，就此证实该频移效应确实来源于二氧化硅包层。

    实验完整呈现了器件内部光学效应的递进演化全过程：
    1. 初始阶段：谐振腔率先产生拉曼激光信号，即斯托克斯边带与反斯托克斯边带；
    2. 入射泵浦功率持续升高后，氮化硅芯层内的四波混频非线性效应占据主导，在原泵浦光波长、拉曼新生光波长两侧不断涌现出新光频；
    3. 大量新频率持续拓展叠加，最终形成宽带光学频率梳。

    后续团队通过微调氮化硅波导几何尺寸优化器件性能：小幅加宽波导宽度，改变了不同波长光束在谐振腔内的传输模式，大幅提升各类光学模式的耦合效率。优化后的器件生成的频率梳光谱跨度超 400 纳米，梳齿不仅分布在泵浦光周边，还可在多处拉曼频移波长位置同步生成。

    实验实测数据与理论计算高度契合：理论推算片上光功率达到 140 毫瓦时将触发拉曼激射，实验实测激射阈值为 143 毫瓦，充分佐证拉曼增益源自二氧化硅包层。

    为光子芯片开辟多元化全新设计思路

    现阶段生成的频率梳暂未达到完全相干水平，但系统整体光功率转换效率突破 32%，大部分入射泵浦光都被转化为全新频段的光束。研究团队表示，后续通过精细化器件结构优化，能够在保留高转换效率的前提下，进一步提升频率梳的相干性能。

    该项研究的价值不止局限于本次实验成果，更确立了一套普适的光子芯片设计新理念：不必执着于寻找一种全能型光学材料，未来光子器件可集成多种介质，依据每种材料的光学特性分工适配专属功能。

    论文作者提出，同类多材料混合非线性光子系统，可整合具备不同非线性光学属性的材料，有望在芯片上实现更多前沿功能：片上宽带超连续谱光源、片上自参考光学频率梳等。

    该研究印证了一个关键结论：以往仅视作机械支撑的包覆层结构，完全可以转化为光子器件的有源功能单元。研究团队将二氧化硅包层打造为拉曼增益源，搭配氮化硅芯层的频率梳生成能力，为拓宽集成光子回路的性能边界开辟了全新路径。

    论文出版信息
    Arghadeep Pal et al, Hybrid nonlinear effects in photonic integrated circuits, Advanced Photonics (2026). DOI: 10.1117/1.ap.8.4.046008
    期刊信息：Advanced Photonics

    注：本文借助人工智能完成编译与文本整理