非线性集成光学技术能在毫米尺寸的芯片上设计不同材料的波导结构。利用截面尺寸小和波导长度长的优势，显著提高光场的非线性效应。富硅材料，如硅、氮化硅、高折射率差玻璃材料等，普遍具有很高的非线性。但是，由于带隙相对较小，硅波导中的双光子吸收抑制了Kerr非线性效应。
香港城市大学朱世德教授课题组近期提出一种将不同富硅材料整合在同一波导结构之中来提升Kerr非线性的新思路。具体方法是通过将硅材料嵌入到传统高折射率差玻璃波导芯层的方式制备一种的新型微结构波导，如图1所示。课题组与中科院西安光机所和西安奇芯光电科技有限公司合作开展工艺研发，通过优化硅材料薄膜生长过程中的炉内气氛、退火条件等工艺参数，成功地制备出平均直径约为3 nm，厚度约20 nm的硅纳米晶体（Si-nc）薄膜芯层。

图1.（a）模拟强度依赖的突触可塑性。（b）记忆突触阵列模拟图像布尔运算。
该硅纳米晶体芯层不仅将高折射率差玻璃波导的Kerr非线性系数提高2倍的同时，还成功地把新型波导的传输损耗控制在0.32 dB/cm的可接受水平。在以这种波导构成的微环谐振腔中，仅需功率低至1 mW的连续光泵浦就可以产生显著的四波混频效应。更有趣的是，实验测得的四波混频转换效率与泵浦功率之间呈线性关系（见图2（d））。这说明在硅纳米晶体芯层中硅材料的非线性吸收效应被明显抑制，并且进一步证实了这种新型波导结构具有极小的色散，在产生光频梳、光孤子晶体等应用上有良好的应用前景。

图2. （a）上下话路型微环谐振腔的工作原理。（b）常规结构和（c）嵌有硅纳米晶薄膜的49 GHz微环谐振腔的TE模式下光学响应曲线。（d）微环谐振腔内四波混频转换效率与入射泵浦功率的关系。
本研究中嵌有硅纳米晶的微环谐振腔仅支持TE偏振模式光的传输，因此优化后的微环谐振腔不仅能选频，还起到了偏振片的作用，后续可以根据所需求光的偏振模式，选择水平或竖直嵌入硅纳米晶薄膜。该项工作有望提高该高折射率差玻璃光子集成平台在全光信号处理、高带宽光通信等方面的性能。
Four-wave mixing in silicon-nanocrystal embedded high-index doped silica micro-ring resonator
Yuhua Li, Xiang Wang, Roy Davidson, Brent E. Little, Sai Tak Chu
J. Semicond. 2021, 42(4): 042302
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/042302
Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/4/042302?pageType=en