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  设想一个光子器件能够瞬间在不同光学功能之间切换，实时适应变化的条件或客户的真实需求。通过对可编程非线性波导的研究，这一愿景正在慢慢地实现。研究人员展示了对光与物质在芯片上相互作用方式的精确控制。这项发表在《自然》期刊上的工作，标志着非线性光学从长期以来一个器件一种功能模式的根本转变。

  非线性光学包含丰富多样的现象，强光可以从一种颜色转换为另一种颜色，分裂成多束光，或以复杂方式组合。这些过程是无数技术的核心，从激光系统、光学频率梳到量子计算和通信。然而，传统非线性光学器件面临一个关键限制：功能在制作的完整过程中确定，之后无法改变。如果想让器件执行不同的非线性光学过程，常常要制造具有不一样内部结构的全新器件。

  这种新的可编程方法通过一个巧妙的设计克服了上述限制，允许光学非线性本身动态重新配置。核心创新在于创建二维分布的二阶非线)，能随意编程并实时更新。器件利用电场诱导非线性来实现这一点，其中施加的偏置电场在天然仅具有三阶非线性的材料中诱导出有效的χ(2)非线：可编程非线性波导的工作原理和功能，说明结构光投射到器件表面如何编程非线性图案，以此来实现对二次谐波产生的多功能控制。

  器件结构由多个精心选择的层组成。基底是导电硅衬底，上面是引导光信号的氮化硅波导。波导本身包括二氧化硅包层和约两微米厚的氮化硅芯层。在这个光波导上方是关键创新部分：由富硅氮化硅制成的光电导体层，厚度约七点五微米。最后，氧化铟锡透明电极覆盖在结构顶部。

  当在衬底和顶部电极之间施加偏置电压时，光电导体层充当可编程电阻网络。通过将图案化照明投射到器件表面，研究人能控制光电导体在何处变得导电。在被照明的区域，光电导体允许电场穿透到波导芯层，而黑暗区域则阻挡电场。这创建了一个与照明图案相对应的电场空间图案。由于有效的χ(2)非线性与这个电场成正比，结果就是一个可编程的光学非线性图案，只需改变照明图案就可以更新。

  这项技术最引人注目的演示之一涉及对环境波动的实时补偿。在典型的非线性光学器件中，气温变化、激光源的波长漂移或别的环境因素会明显降低性能。然而，可编程器件可以主动补偿这些变化。

  图2：使用可编程非线性波导进行实时可编程周期极化，展示反馈控制如何在泵浦波长随机波动的情况下保持高转换效率。

  研究人员通过人为引入泵浦激光波长的随机波动来演示这一能力，模拟实际应用中也许会出现的噪声。在没有反馈控制的情况下，随着波长偏离最佳值，二次谐波产生效率迅速降至接近零。然而，在启用反馈的情况下，系统持续测量输出信号并自动调整编程的栅格周期以保持峰值性能。器件成功跟踪波长波动，在整个实验过程中保持始终如一的高转换效率。

  这种实时适应性为非线性光子技术带来新的可能。可编程器件可以轻松又有效地与稳定性较差、价格更实惠的组件配合工作，而不需要极其稳定且昂贵的激光源。器件还可以在运行期间自动优化自身，补偿工作条件的逐渐变化或组件老化。

  器件的可编程性使得对产生光的光谱特性进行复杂控制成为现实。在二次谐波产生中，一个频率的光被转换为频率翻倍的光。为了使这样的一个过程高效，一定要满足称为相位匹配的条件，这常常要沿传播方向对非线性进行周期性调制。这种周期性结构称为准相位匹配光栅，能够理解为补偿相互作用光波之间自然相位失配的空间图案。

  图3：二次谐波产生的光谱工程，演示不同的照明图案怎么样产生各种输出光谱，包括单峰、多峰和宽带产生，以及实时图案更新。

  通过沿波导纵向编程不同的栅格结构，研究人员展示了对输出光谱的出色控制。简单的周期栅格在特定波长产生窄光谱峰。叠加具有不一样周期的多个栅格可以同时产生多个不同的波长，每个波长在光谱中显示为独立的峰。对于宽带产生，周期沿长度逐渐变化的啁啾栅格产生连续的宽光谱。

  也许最令人印象非常深刻的是，研究人员实施了实时反馈优化以创建任意目标光谱。他们没基于理论模型手动设计栅格图案，而是构建了一个反馈回路，器件测量自身的输出光谱并迭代调整编程图案以匹配所需目标。这种原位逆向设计方法能够创建通过正向设计极其难以实现的光谱形状，并自动补偿器件或实验设置中的任何不完美之处。

  除了光谱控制之外，可编程器件还能够对产生的光进行复杂的空间塑形。光谱工程依赖于沿传播方向构造非线性，而空间工程涉及在波导宽度的横向方向上对非线性进行图案化。

  图4：二次谐波产生的空间工程，展示不同的横向栅格图案如何聚焦光、创建多束光或产生艾里光束等特殊光束轮廓。

  从具有简单高斯空间轮廓的泵浦光束开始，不同的编程图案产生了截然不同的输出光束形状。没有横向变化的均匀栅格产生了与输入相似的输出光束，束腰为九十四微米。通过在横向方向引入二次相位变化，研究人员能够将产生的光在输出端面聚焦至仅十六微米。在不同横向位置叠加九个这样的聚焦图案，在输出中创建了九个不同的聚焦光束。

  器件还可以产生更特殊的光束形状。艾里光束代表了一类引人入胜的非衍射光束，在传播过程中保持其空间轮廓并表现出特征性的弯曲轨迹。通过在栅格上编程三次相位变化，研究人员成功产生了这些艾里光束，在可编程平台上重现了以前需要定制制造固定结构才能实现的效果。

  二维可编程性的全部威力在同时结合光谱和空间控制时显现出来。这种时空-光谱工程能够创建输出特性随波长和空间位置变化的光。

  图5：二次谐波产生的时空-光谱工程，演示二维非线性图案如何在产生光的空间和光谱特性之间创建复杂的关联。

  在一个演示中，研究人员编程了一个结构，在五个不同波长分别产生一个、两个、三个、四个和五个空间峰。每个波长分量都有其独特的空间分布，全部从同一个可编程器件同时产生。这创建了一种全息效果，当扫描不同波长时，空间图案会演变。

  另一个引人注目的演示涉及在不同波长产生相反啁啾的艾里光束。艾里光束的特征性不对称干涉条纹在两个独立的光谱分量中以相反方向出现，展示了器件独立控制产生光的空间和光谱结构的能力。

  这项工作表明，非线性光学过程的可编程控制不仅可行，而且实用。虽然原型器件存在一些局限性，包括相对较弱的非线性和中等的光损耗，但研究人员确定了明确的改进路径。使用不相同材料、优化层厚度以及采用高温退火来减少吸收，可以大幅度的提高器件性能。研究人员还证明，该方法不仅适用于平面波导，也适用于具有更紧密光学约束的通道波导，转换效率提高了四十倍。进一步展望，将可编程方法纳入谐振结构可能会将性能推向超越当前最先进集成非线性器件的水平。这些影响远不止改进的规格参数。可编程非线性光子技术能带来全新的应用，其中器件必须在不同功能之间快速切换或持续适应变化的条件。潜在应用包括用于量子计算的可编程量子门、用于光通信的可重构频率转换器、用于超快科学的自适应脉冲整形器以及用于量子信息处理的可调谐纠缠光子源。通过打破一个器件一种功能的模式，这项技术让非线性光学器件能够像电子对应物一样灵活和可重构。