芯片级超宽带毫瓦级谐振倍频技术的突破性进展

研究人员通过创新性地设计两个线性解耦的微环谐振器，解决了传统单谐振器在宽带二次谐波产生(SHG)中面临的相位匹配和双谐振条件限制问题。该集成器件实现了超过200 nm的准相位匹配带宽，在电信波段展示了毫瓦级可寻址SHG，并成功将100 nm带宽的Kerr频率梳进行上转换，为集成非线性光学系统提供了全新解决方案。

　　

在非线性光学领域，二次谐波产生(SHG)作为连接光学频谱中倍频程间隔波段的关键技术，在光源工程、量子技术等领域具有重要应用价值。然而传统微环谐振器面临三大瓶颈：相位匹配条件苛刻、双谐振条件难以精确控制、自由光谱范围(FSR)匹配困难，这些问题严重限制了宽带SHG的实现效率和可调谐性。尤其对于CMOS兼容的氮化硅(Si₃N₄)平台，虽然具有低损耗和高功率处理能力优势，但缺乏本征χ⁽²⁾非线性，更增加了技术难度。

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，通过设计两个独立可调的微环谐振器系统，成功实现了超宽带谐振倍频。该系统突破性地将泵浦光和二次谐波分别限制在"南环"和"北环"两个线性解耦的谐振器中，仅通过马赫-曾德尔干涉仪(MZI)臂实现非线性耦合。这种架构不仅解耦了双谐振条件与相位匹配条件，还通过全光极化(AOP)技术在耦合区域形成了准相位匹配(QPM)光栅，实现了超过200 nm的相位匹配带宽。

研究采用的关键技术包括：(1)双环独立调谐设计，通过热光移相器分别控制南北环的谐振模式；(2)全光极化技术，在Si₃N₄波导中诱导χ⁽²⁾非线性；(3)群速度工程，通过精确设计两环长度实现FSR匹配；(4)临界耦合优化，独立调节泵浦和SH波段的耦合效率。

设备描述和工作原理
创新性地采用南北环分离设计，泵浦光和SH分别在南环(泵浦波段)和北环(SH波段)循环。通过热光调节器独立控制两套谐振模式，MZI区域提供非线性相互作用路径。两环长度设计满足FSR匹配条件：FSR_FH=v_g^FH/L_FH=v_g^SH/L_SH=FSR_SH，避免了单谐振器必须满足的群速度匹配限制。

可寻址双谐振SHG
实验证明该系统可在C和L电信波段(1530-1620 nm)实现毫瓦级SHG，平均输出功率1.4 dBm。双光子显微镜成像确认χ⁽²⁾光栅仅形成于相互作用区域，验证了两环的线性解耦特性。通过调节北环加热器功率，可动态重构QPM光栅，适应不同泵浦波长。

非线性特性
在"冷腔" regime下，SH功率随泵浦功率呈二次增长趋势(泵浦功率<-20 mW)。当泵浦功率增加至"热腔" regime时，系统进入AOP/SHG联合过程。映射实验显示SHG转换效率(CE)高达40%/W，通过独立调节两环谐振条件可优化转换效率。

频率梳上转换
研究展示了两种上转换方案：通过双色泵浦产生受激四波混频(FWM)梳，其SHG谱线保持原始梳的间隔；以及单泵浦调制不稳定性(MI)梳生成，上转换带宽达100 nm。特别值得注意的是，通过调节北环加热器功率，可在SHG效率和上转换带宽间实现动态平衡，最高单梳齿功率超过10 mW。

这项研究开创性地解决了集成非线性光子学中的关键挑战，其双环架构设计理念可推广至其他非线性过程如参量下转换。相比传统单谐振器方案，该系统在保持高转换效率(40%/W)的同时，将工作带宽扩展至>100 nm，且输出功率提升两个数量级。该技术为芯片级频率梳自参考、量子光源集成等应用提供了全新平台，特别是其电重构特性为开发可编程非线性光子电路开辟了新途径。研究展示的独立控制谐振增强与相位匹配的方法，为各类非线性光学过程的优化提供了普适性框架。