在 20 世纪 60 年代，物理学家们发现光可以通过一种称为二次谐波产生的过程以有趣的方式相互作用。在合适的材料中，两个特定频率的光子可以相互作用产生一个频率是其两倍的新光子，例如将红光转化为绿光。自那时以来，物理学家们已经利用这些非线性光学技术，将其应用于从精密测量到量子计算的各种技术中。
然而，一个长期存在的挑战依然存在。非线性光学器件必须以在制造过程中确定的、单一的、不可更改的功能来制造。这限制了它们的效用和功能。
现在，由于康奈尔大学伊萨卡分校的 Ryotatsu Yanagimoto 及其同事的工作，这种情况有望改变。他们推出了一款可编程光子芯片，有望重塑光学科学及其驱动的技术。
塑光
非线性光学中的一个关键过程是相位匹配——即同步两种不同的光波以保持它们同相的能力。普通材料通常在其原始状态下不允许这种现象发生，因此必须通过复杂的纳米制造工艺精心“雕琢”。
一个例子是在表面上生长半导体材料图案，形成光栅，迫使特定波长的光以非线性的方式相互作用。这使得激光光能够以一种保持其相位同步的非线性方式与材料内的电子相互作用。这被称为 χ(2) 效应。
然而，这种图案是固定的，材料允许的相互作用类型以及任何潜在的应用也是固定的。
Yanagimoto 及其团队的突破规避了这些限制。他们找到了一种方法，可以使用外部光场在材料中诱导类似的改变。因此，通过将光图案照射到材料上，就可以产生相同的 χ(2) 效应。
这种巧妙的机制使得团队能够创建多功能、可实时定制的相位匹配光栅。“这使我们能够跨越多个波长创建不同的空间光场，”团队表示。
其底层机制涉及一个由氮化硅芯、光电导性富硅氮化物层和氧化铟锡电极组成的平板波导。当被结构化的绿光照射时，光电导层会局部导通，从而诱导可编程的非线性。
在一项演示中，Yanagimoto 及其团队使用该技术在一段时间内用二次谐波光拼出了“Cornell”这个名字。他们通过在光电导层上使用结构化照明来实现这一点，选择性地激活芯片表面上的电场诱导非线性。当施加偏置电压时，这些被照亮的区域变得活跃，产生输入激光束两倍频率的二次谐波光，但随着时间的推移以拼出大学名称的方式进行调制。
这种适应性应该会为各种应用打开大门。例如，可编程非线性光子芯片可以实现复杂的量子计算架构，允许单个设备执行多个量子门或生成针对特定计算任务定制的量子态。
这些芯片还为经典光通信带来了重大进展，能够实现超快的全光信号处理和可重构光计算。“我们的工作表明，我们可以超越传统的‘一器件一功能’的范式，”Yanagimoto 及其团队表示。
该团队还开发了实时反馈技术，允许他们根据需要对输出进行微小调整。这使得他们能够解决传统非线性光学技术中的一个长期存在的问题：制造缺陷。传统组件对微小缺陷极其敏感，这些缺陷会严重影响性能。但实时适应性通过动态补偿这些变化来规避这一挑战，大大提高了可靠性和成品率。
实际应用
康奈尔大学团队的设备仍处于早期开发阶段。Yanagimoto 及其同事表示，其当前的非线性强度虽然适中，但通过进一步的工程改进，有潜力提高十倍甚至一百倍。这些改进应该有助于将这项技术从实验室推向实际应用。
回首他们的成就，Yanagimoto 及其团队表示，这项工作为未来光学设备不仅仅是无源导管，而是能主动参与、动态响应其环境和用户需求的设备铺平了道路。这一发展标志着光学新时代的到来，在这个时代，适应性和可编程性是基本要素，而不是例外。
参考：可编程片上非线性光子学：arxiv.org/abs/2503.19861
