集成可调谐绿色光源在氮化硅上的实现

在微小芯片上更亮的绿色光

绿色激光器驱动着从海底数据链路到精密切割与量子实验的诸多应用，但现有设备常常体积庞大、耗能高或难以调谐。这项研究展示了如何将强劲且可调的绿色光源缩小并集成到氮化硅芯片上——这是一种用于现代光子学的平台——为可以直接接入通信与传感系统的紧凑设备打开了大门。

为什么绿色光难以产生

绿色波段的大致范围为510–560纳米，这一波段在技术上非常有价值，但在芯片上高效产生却出乎意料地困难。半导体激光器在红光和蓝光区表现良好，但在绿色区其内部效率下降，导致输出弱且难以调谐。为了解决这个问题，工程师通常在台式实验中用特殊晶体对红外激光进行倍频或频率混合。要把这种方法搬到集成芯片上则充满挑战：早期器件要么只能产生微瓦级的绿色功率，要么只能在极窄的纳米级范围内调谐，限制了其实际用途。

在微观环内将红外变为绿色

团队采用氮化硅微环——刻蚀在芯片上的类赛道形波导，让光被困住并循环数千次。他们用近1微米波长的连续波红外激光泵浦微环。在环内，强烈的光场触发一种称为全光整极化的过程：多光子吸收产生微弱有向电流，进而建立起沿环呈周期分布的静电场。这个电场有效地写入了一个内建的光栅，使材料能够将红外光高效地转换为其二次谐波——正好落在绿色波段——其效率远高于未经过此过程时的情形。

高功率与低驱动需求并存

利用这个自写入的光栅，研究者在芯片上实现了高达3.5毫瓦的绿色输出，在该光谱区的氮化硅器件中创下纪录。同样重要的是，他们表明同一类型的器件只需几毫瓦的泵浦功率即可达到光栅形成的阈值——这足够由片上激光直接提供，而无需外部放大器。他们监测了绿色输出随时间的增长，并确认该光是由光场自身从零开始构建的，而不是读取了预先存在的图案。在1050–1070纳米的多个环谐振中，器件可以被“再整极化”以在不同波长产生绿色，表明光栅图案是可重配置的而非固定的。

利用光学频率梳来调控颜色

微环的特性还允许其形成光学频率梳——围绕泵浦的、间隔均匀且相位锁定的一组颜色。当这样的相干频率梳形成时，其中成对的红外谱线可以通过和频过程组合生成新的绿色波长。令人惊讶的是，这些混频信号可以在环内写入它们自己的光栅，独立于原始的二次谐波过程。通过在保持单一谐振的情况下微调泵浦激光，作者能够在11纳米的范围内切换主导的绿色谱线。将泵浦扫描到更宽的范围，他们演示了从511到540纳米的绿色波段的致密覆盖，产生许多紧密间隔的可用线。

这对未来器件意味着什么

对非专业读者而言，主要结论是：研究者构建了一个芯片级的绿色光源，兼具高功率、高可调性和能效。与其制造复杂且固定的结构，不如让光自身在简单的氮化硅微环中刻写并重写实现高效转换所需的图案。将此与频率梳相结合则内置了一个用于精细控制输出的“色彩旋钮”。此类器件可为量子网络、精密计时、生物医学成像、海底链路以及工业加工等提供紧凑的绿色激光解决方案，并能集成在已经支撑现代光通信的同类光子芯片上。

引用: 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

关键词: 集成绿激光器, 氮化硅光子学, 全光整极化, 频率梳, 二次谐波产生