科技日報北京8月5日電 （記者張佳欣）德國馬克斯·普朗克光科學研究所領導的國際研究團隊提出一種新的光子芯片設計方案，突破了單一材料限制，將氮化硅和二氧化硅結合到同一器件中，在國際上首次在氮化硅集成光子平台實現拉曼散射，並生成覆蓋超過400納米波段的寬帶光學頻率梳，為開發新型片上光源和拓展光子芯片光學功能提供了新思路。相關成果發表於新一期《先進光子學》雜志。

　　光子芯片通常依靠單一材料實現特定光學功能，但不同材料各有優勢，也存在局限。氮化硅具有光損耗低、工作波段寬等特點，是重要的集成光子材料之一，但其自身拉曼增益較弱，難以直接實現拉曼散射。

　　此次，研究團隊設計了一種集成光子器件，將原本分別發生在不同材料中的兩種非線性光學效應集成到同一芯片中。該器件由氮化硅環形諧振器和二氧化硅包層組成，其中氮化硅用於產生光學頻率梳，二氧化硅提供拉曼增益。由於部分光場會自然延伸至包層，光能夠同時與兩種材料相互作用，從而實現兩種光學效應的結合。

　　實驗中，研究人員首次在氮化硅集成光子平台上觀察到拉曼散射現象。輸入連續激光后，輸出光中出現相對於泵浦光頻率偏移約11太赫茲的新信號，且該頻率間隔始終保持不變，証實拉曼效應來自二氧化硅包層。

　　隨著輸入功率增加，器件內部發生四波混頻等非線性過程，最終形成寬帶光學頻率梳。研究人員優化波導尺寸后，獲得覆蓋超過400納米波段的頻率梳，並在多個拉曼頻移波段同時產生梳狀光譜。

　　實驗結果與理論計算高度一致。研究人員預測，拉曼散射產生的閾值約為140毫瓦，實驗測得實際閾值為143毫瓦，進一步証明器件中的拉曼增益確實來自二氧化硅包層。

　　雖然目前獲得的光學頻率梳尚未達到完全相干狀態，但該系統已實現超過32%的光功率轉換效率。研究人員表示，未來通過進一步優化器件設計，有望提升頻率梳的相干性和轉換效率。

　　這項成果展示了一種新的集成光子芯片設計思路：未來不必依賴單一材料實現所有功能，而可以將具有不同優勢的材料結合起來，實現更多光學功能。該方法未來有望用於構建片上寬帶超連續譜光源、自參考光學頻率梳等新型光子器件，進一步拓展集成光子芯片的應用范圍。