马克斯·普朗克研究所等：混合非线性赋能光子集成，实现宽带Raman–Kerr频率梳 | Adv.Photon.

Advanced Photonics 2026年第4期文章：

原文链接：Arghadeep Pal, Alekhya Ghosh, Shuangyou Zhang, Toby Bi1, Masoud Kheyri, Haochen Yan, Yaojing Zhang and Pascal Del’Haye, "Hybrid nonlinear effects in photonic integrated circuits," Adv. Photon. 8, 046008 (2026). 

非线性集成微环谐振腔通常利用波导芯层单一材料的非线性，光场在高折射率芯层中的局域也限制了可利用的非线性类型。在集成微环谐振腔中，利用不同材料分别承载多种非线性光—物质相互作用仍有待探索。

受激拉曼散射源于光与材料分子振动的相互作用。氮化硅具有超低传播损耗、较高Kerr非线性和宽透明窗口，但其拉曼增益较低，此前难以在氮化硅集成光子器件中观察到拉曼激光或拉曼梳。针对上述问题，德国马克斯·普朗克光科学研究所等机构的研究人员提出，将熔融二氧化硅包层的拉曼增益与氮化硅芯层的四波混频增益结合，在商业化、CMOS兼容的氮化硅平台上实现混合非线性。相关成果以“Hybrid nonlinear effects in photonic integrated circuits”为题，发表在Advanced Photonics 2026年第4期。

研究人员通过优化氮化硅微环谐振腔几何结构，使部分光场延伸至二氧化硅包层。以宽1.8 μm、高0.4 μm的芯层为例，30.7%的循环光与包层重叠。泵浦光首先与二氧化硅包层作用产生Stokes拉曼信号，该信号随后在氮化硅芯层中充当次级泵浦，与主泵浦发生非简并四波混频，在泵浦、Stokes和anti-Stokes区域形成新的梳齿（图1）。

图1 光子集成链路中不同材料的混合非线性相互作用

器件采用厚400 nm的氮化硅芯层、上下各3 μm的二氧化硅包层。半径100 μm、芯层宽1.8 μm的微环谐振腔在1570 nm附近的基模本征Q因子为220万。用1570.8 nm光泵浦时，器件在1667.5 nm产生单模拉曼激光；将泵浦移动一个自由光谱范围至1572.8 nm后，拉曼激光同步移动至1669.7 nm，两种情况下均保持11 THz拉曼频移。提高片上功率至150 mW以上，非简并四波混频在泵浦、Stokes和anti-Stokes附近产生边带，进一步增大功率后形成宽带频率梳（图2）。

图2 实验装置以及从拉曼激光向混合Raman-Kerr频率梳的演化

为减小不同波长处自由光谱范围失配对频率梳生成的限制，研究人员将氮化硅波导宽度调至1.9 μm。用1598 nm光泵浦时，频率梳覆盖anti-Stokes、泵浦、一阶和二阶Stokes区域，总跨度超过400 nm。测量结果表明，泵浦波长处TE₀₀模的自由光谱范围与1689.8 nm处TE₁₀模相匹配，接近1690 nm的拉曼激光波长，从而增强频率梳效率与带宽。与1.8 μm宽波导相比，1.9 μm宽微环谐振腔在Stokes附近的梳齿数量增加一倍（图3）。

图3 色散工程微环谐振腔中的宽带级联Raman-Kerr频率梳

理论计算表明，在半径100 μm、宽1.8 μm且Q因子为220万的微环谐振腔中，芯层厚度为250 nm时拉曼激光阈值最低，为106 mW；实验所用400 nm厚器件的理论阈值为140 mW。实验测得Stokes边带的片上阈值为143 mW，与理论结果接近，并与熔融二氧化硅特征性的11 THz拉曼频移共同证明拉曼激光来源于包层中的光场作用（图4）。射频测量显示，Raman-Kerr频率梳的噪声高于泵浦，说明当前频率梳尚未处于相干态；其功率转换效率达到32.4%，可为每条梳齿提供较高功率。

图4 不同装饰单元的远场散射与单体前向散射特性

该研究在光子集成链路中实现了分别来源于两种非线性材料的混合光学非线性效应：二氧化硅包层产生拉曼散射，氮化硅芯层产生Kerr频率梳。通过调节芯层厚度优化光学模式与包层材料的重叠，并通过改变谐振腔宽度进行色散工程，实现了从拉曼Stokes-anti-Stokes边带到宽带频率梳的可控演化。

研究人员进一步提出，可将这一思路推广至具有不同阶非线性的材料组合，例如把高二阶非线性材料与高三阶非线性材料集成，用于超连续谱生成及频率梳自参考。对于当前器件，进一步的色散工程有望获得相干Raman-Kerr频率梳；噪声带宽和光谱平坦度仍需继续优化。

编辑 | 徐睿