片上可编程非线性光子学：突破固定功能范式实现动态准相位匹配

研究人员针对非线性光学器件功能固定、难以重构的难题，开发了一种基于光电导调控的二维可编程χ(2)非线性波导。通过空间光调制实现电致χ(2)非线性（χ(2)=3χ(3)Ebias）的实时重构，演示了光谱/空间/时空域的二次谐波生成（SHG）控制，为准相位匹配（QPM）和自适应非线性光学系统开辟了新途径。

　　

在非线性光学领域，器件功能通常在设计阶段就被固化，就像雕刻在石头上的图案无法更改。这种刚性限制了非线性光学技术在需要动态重构场景中的应用，例如量子光学门、光学计算和自适应传感系统。传统准相位匹配（QPM, Quasi-Phase Matching）技术虽然通过周期性调制χ⁽²⁾非线性来补偿相位失配，但这些结构一旦制备就无法改变，且对制备误差和环境波动极其敏感。

为了解决这一根本性挑战，来自康奈尔大学和NTT研究所的研究团队在《Nature》发表了突破性研究成果，开发出世界上首个具有完全可编程二维χ⁽²⁾非线性分布的光子器件。这项技术彻底打破了"一个器件一种功能"的传统范式，为非线性光学带来了前所未有的灵活性。

研究团队采用多层堆叠结构实现可编程非线性波导：在导电硅衬底上制备氮化硅（SiN）光波导（2.05μm厚核心层和1μm厚二氧化硅包层），顶部覆盖7.5μm厚富硅氮化硅（SRN）光电导层和20nm厚氧化铟锡（ITO）透明电极。关键技术方法包括：利用空间光调制器产生532nm编程光照图案控制光电导层局部电导率；通过外部偏压电场（最高1000V）诱导产生与编程图案对应的χ⁽²⁾非线性分布（χ⁽²⁾(x,z)=3χ⁽³⁾E_bias(x,z)）；采用飞秒脉冲激光（60fs，100MHz）和连续可调谐激光（1500-1630nm）作为泵浦源；通过光谱仪、相机和光电探测器多维度表征二次谐波生成（SHG）特性。

实时可编程周期极化

研究人员首先演示了基础QPM功能，通过编程不同极化周期Λ（16.65μm附近），实现了对特定泵浦波长（1560nm附近）的相位匹配SHG。群速度失配（GVM）测量值为-92fs/mm。最具创新性的是，他们建立了实时反馈控制系统，通过抖动Λ参数并监测SHG信号强度，成功补偿了泵浦波长的随机波动，使SHG效率保持在最优水平。

光谱工程

利用飞秒脉冲泵浦，研究人员展示了复杂光谱整形能力：单一周期光栅产生窄带SHG峰值；多周期叠加光栅同时相位匹配多个SHG过程，产生多个波长峰值；啁啾光栅实现宽带SHG输出。更重要的是，他们构建了实时反馈优化系统，通过测量宽带SH光谱并更新编程光照图案，实现了任意光谱形状的逆向设计，甚至演示了在光谱域中实时绘制"CORNELL"字母序列的动态功能。

空间工程

通过控制横向维度的相位匹配条件，研究人员实现了对输出光场空间结构的精确操控。固定高斯泵浦（束腰132μm）下：平坦光栅产生94μm束腰的高斯输出；二次相位啁啾光栅将SHG聚焦到16μm束腰；九个横向偏移的二次啁啾光栅图案产生九个独立聚焦点；立方相位啁啾成功生成了无衍射艾里光束（Airy beam），显示出特征性的不对称干涉条纹。所有实验结果与理论模拟高度一致。

时空谱工程

最终研究展示了同时控制光谱和空间域的能力。通过组合不同纵向周期的QPM光栅图案：在五个不同波长处分别产生一、二、三、四、五个空间峰值；在两个不同波长处生成相反啁啾方向的艾里光束。测量得到的高光谱图像清晰显示了在空间和波长维度同时局域化的光场分布。

该研究还制备了通道波导结构，将归一化转换效率提升40倍至2×10^-3%W^-1，证明了技术在纳米光子学中的扩展性。尽管当前器件存在非线性系数较低（0.47pm/V）、光学损耗（1-5dB/cm）和更新速度（约1Hz）等限制，但通过材料优化、谐振器结构和制造工艺改进，性能有望大幅提升。

这项研究的意义远超出了演示的可重构SHG应用。研究人员定量分析了四个潜在应用方向：片上任意脉冲整形器、可重构量子频率转换器、宽波长可调集成光源和具有可编程纠缠结构的量子光源。氮化硅的极低材料损耗允许制作米级长波导，完全补偿了低χ⁽²⁾非线性系数，同时增加了可编程自由度。这种可编程非线性光学平台有望推动全光信号处理、光学计算和结构化光传感等领域的革命性发展，为下一代集成光子系统提供强大技术基础。