Гибридные нелинейные эффекты в фотонных интегральных схемах
Современные фотонные чипы позволяют размещать сложные оптические функции на устройствах размером меньше ногтя. Они все чаще используются для генерации, управления и измерения света в самых разных областях применения, от связи до сенсорики. Однако большинство таких чипов используют один и тот же материал для выполнения основной работы, что ограничивает диапазон оптических эффектов, которые они могут производить. В данной работе учёные продемонстрировали другой подход: использование двух материалов для совместной работы. Как сообщается в журнале Advanced Photonics, физики объединили два нелинейных оптических эффекта, которые обычно возникают по отдельности. В их устройстве было использовано ядро из нитрида кремния для генерации оптических частотных гребенок, в то время как окружающий слой диоксида кремния производил рамановское рассеяние. Объединив преимущества обоих материалов, команда создала новый тип интегрированного фотонного устройства, способного генерировать широкий диапазон частот света на одном чипе.
Рис.1. Новый тип интегрированного фотонного устройства, способного генерировать широкий диапазон частот света на одном чипе. В устройстве используется ядро из нитрида кремния для генерации оптических частотных гребенок, а окружающий его слой диоксида кремния производит рамановское рассеяние. Фото: Алехья Гош.
На первый взгляд, идея кажется простой. Свет, распространяющийся по фотонной схеме, обычно концентрируется в сердцевине волновода, в то время как окружающая оболочка в основном служит для удержания света. Исследователи поняли, что часть циркулирующего света естественным образом проникает в оболочку. Вместо того чтобы рассматривать эту область как пассивную, они разработали устройство таким образом, чтобы свет мог активно взаимодействовать с ней.
В результате получается гибридная система, в которой каждый материал вносит свой вклад, обладая различными возможностями. Кремний обеспечивает рамановское усиление — процесс, при котором свет взаимодействует с молекулярными колебаниями и появляется на новой частоте. Нитрид кремния, в свою очередь, хорошо известен своей сильной нелинейностью Керра, которая может генерировать оптические частотные гребенки — точно расположенные наборы световых частот, часто описываемые как оптические линейки.
Устройство состоит из кольцевого резонатора из нитрида кремния, окруженного кремнеземом. Примерно 31% циркулирующего оптического поля перекрывается с оболочкой, что позволяет свету взаимодействовать с обоими материалами по мере его распространения по кольцу.
Рис.2. Предложенная модель генерации суперконтинуума в интегрированных системах с использованием гибридных нелинейностей материалов сердцевины и оболочки. Генерация второй гармоники (ГВГ) в оболочке и четырехволновое смешение (ЧСС) в материале сердцевины объединяются для генерации суперконтинуума. Источник: Advanced Photonics (2026). DOI: 10.1117/1.ap.8.4.046008
Для проверки были изготовлены кольцевые резонаторы из нитрида кремния, покрытые диоксидом кремния, накачанные лазером непрерывного действия. Когда лазерный свет попадал в резонатор, появлялся новый сигнал на частоте, смещенной на 11 терагерц относительно длины волны накачки — признак рамановского рассеяния в диоксиде кремния. По мере изменения исследователями длины волны накачки новый сигнал соответственно смещался, сохраняя при этом то же частотное разделение, что подтверждает источник эффекта.
Результаты измерений точно совпали с теоретическими предсказаниями. Исследователи рассчитали, что рамановская лазерная генерация должна начинаться примерно при 140 милливаттах оптической мощности на чипе. Эксперименты показали пороговое значение в 143 милливатта. Хотя сгенерированные частотные гребенки не были полностью когерентными, система достигла эффективности преобразования энергии более 32%.
