Интегрированный настраиваемый источник зелёного света на кремнийнитриде

Ярче зелёный свет на крошечном чипе

Зелёные лазеры питают всё — от подводных каналов связи до прецизионной резки и квантовых экспериментов, но сегодня они часто громоздки, энергоёмки или трудно настраиваются. В этом исследовании показано, как поместить мощный, регулируемый источник зелёного света на кремнийнитридный чип — ту же платформу, что используется в современной фотонике, — что открывает путь к компактным устройствам, которые можно интегрировать прямо в системы связи и датчиков.

Почему зелёный свет трудно получить

Свет в зелёной полосе, примерно 510–560 нанометров, технологически ценен, но удивительно трудно эффективно генерируется на чипе. Полупроводниковые лазеры легко покрывают красную и синию области, но в зелёной их внутренняя эффективность падает, из‑за чего они слабы и тяжело настраиваются. Чтобы обойти это, инженеры обычно удваивают или смешивают частоту инфракрасных лазеров в специальных кристаллах на лабораторных установках. Перенос этого подхода на интегрированные чипы оказался сложной задачей: ранние устройства либо давали всего микроватты зелёного излучения, либо могли настраиваться лишь на доли нанометра, что ограничивало их применимость.

Преобразование инфракрасного в зелёный внутри микроскопического кольца

Команда решает эту проблему с помощью кремнийнитридных микроколец — волноводов в форме трека, вырезанных в чипе, которые задерживают свет и позволяют ему циркулировать тысячи раз. Они подпитывают кольцо непрерывным инфракрасным лазером с длиной волны около 1 микрометра. Внутри кольца интенсивный свет запускает процесс, называемый всевоптической полировкой: многоквантовое поглощение генерирует крошечный направленный электрический ток, который, в свою очередь, создаёт статическое электрическое поле, организованное в регулярный узор вдоль кольца. Это поле фактически «записывает» встроенную решётку, позволяющую материалу эффективнее преобразовывать инфракрасный свет во вторую гармонику — как раз в зелёной области спектра — чем это было бы иначе.

Высокая мощность и низкие требования к мощности одновременно

С помощью этой самозаписанной решётки исследователи получают до 3,5 милливатта зелёного света на чипе — рекорд для кремнийнитрида в этой области спектра. Не менее важно, что они показывают: тот же тип устройства достигает порога формирования решётки при всего нескольких милливаттах мощности накачки — достаточно мало, чтобы питание мог обеспечивать встроенный лазер без внешних усилителей. Они отслеживают, как зелёный выход растёт со временем, и подтверждают, что он формируется «с нуля» самим оптическим полем, а не просто считывает предсуществующий узор. На многих резонансах кольца в диапазоне накачки 1050–1070 нм устройство можно «переполировать» для генерации зелёного света на разных длинах волн, демонстрируя, что узор решётки перенастраиваемый, а не фиксированный.

Использование оптических гребёнок для управления цветом

Свойства микрокольца также позволяют ему формировать оптические частотные гребёнки — наборы равномерно расположенных цветов вокруг накачки, фазово связанных между собой. Когда такая когерентная гребёнка формируется, пары её инфракрасных линий могут комбинироваться для генерации новых зелёных длин волн через процессы суммарной частоты. Удивительно, но эти смешанные сигналы могут сами записывать собственные решётки внутри кольца, независимо от исходного процесса второй гармоники. Небольшим сдвигом накачивающего лазера при сохранении одного резонанса авторы могут переключать доминирующую зелёную линию в пределах 11‑нанометрового диапазона. При сканировании накачки по более широкому диапазону они демонстрируют плотное покрытие зелёной полосы от 511 до 540 нанометров с множеством тесно расположенных пригодных для использования линий.

Что это значит для будущих устройств

Для неспециалиста главный вывод таков: исследователи создали источник зелёного света на уровне чипа, который одновременно мощный, высоконастраиваемый и энергоэффективный. Вместо изготовления сложных фиксированных структур они позволяют свету самому вписывать и переписывать узоры, необходимые для эффективного преобразования, внутри простого кремнийнитридного кольца. Комбинация этого с частотными гребёнками добавляет встроенную «регулировку цвета» для тонкого контроля выходного сигнала. Такие устройства могут обеспечить компактные зелёные лазеры для квантовых сетей, прецизионной синхронизации, биомедицинской визуализации, подводных каналов связи и промышленной обработки, все интегрированные на тех же фотонных чипах, которые уже лежат в основе современных оптических коммуникаций.

Цитирование: Wang, G., Yakar, O., Ji, X. et al. Integrated tunable green light source on silicon nitride. Light Sci Appl 15, 132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02222-8

Ключевые слова: интегрированный зелёный лазер, фотоника на кремнийнитриде, всенаправленная оптическая полировка, частотные гребёнки, генерация второй гармоники