可编程的芯片级光学技术

非线性光学在经典和量子光子技术中都起着核心作用，但传统非线性器件的功能通常在设计制造时就被固定，缺乏灵活性。本文报道了一种具有高度可编程非线性功能的新型光子器件：一种可在二维平面上任意重构二阶非线性系数（χ(2)）分布的光学平板波导。该器件利用外加电场诱导产生χ(2)非线性，并通过一层光电导材料和空间光图案进行光学编程，实现对内部电场分布的大规模并行控制，从而动态设定非线性结构。

研究人员通过设计任意的准相位匹配（QPM）光栅结构，展示了对该器件在频谱、空间以及频谱-空间联合维度上的多功能调控能力。例如，通过调整光栅的纵向结构，可以控制哪些波长的光能高效转换，实现对二次谐波生成（SHG）的频谱工程；通过调整横向结构，可以为产生的二次谐波光赋予特定的空间相位分布，从而塑造其输出光束的横向轮廓，如聚焦成窄光束或生成不衍射的艾里光束。更重要的是，利用其全二维可编程性，能够同时操控光的频谱和空间特性，实现复杂的“时空谱”全息图，例如在不同波长处生成不同数量的光斑或方向相反的艾里光束。

该器件的可编程性带来了革命性的优势。首先，它打破了“一个器件一个功能”的传统模式，同一个物理器件可以通过重新编程实现多种不同的非线性光学功能。其次，器件支持原位逆向设计和实时反馈优化。实验中，研究人员演示了通过实时反馈自动调整光栅周期，以补偿泵浦激光波长的随机漂移，成功维持了高效的二次谐波输出，这在固定器件中是无法实现的。这种自适应能力使其在环境不稳定的应用场景中极具潜力。

尽管原型器件目前存在非线性效应较弱、光学损耗较高和更新速度受限等实际问题，但研究团队已提出改进方案，如采用脊形波导增强光场约束、高温退火降低损耗、使用更快的空间光调制器等。他们还制作并测试了可编程的脊形波导，其转换效率比平板波导提升了约40倍，证明了该技术路线的可扩展性。展望未来，这种可编程非线性光子学平台有望在片上任意脉冲整形器、可重构量子频率转换器、波长可调谐集成光源以及具有可编程纠缠结构的量子光源等领域得到应用。其核心价值在于将非线性光学从静态、专用的模式转变为动态、通用的平台，为光通信中的全光信号处理、光学计算和基于结构光的传感等需要快速器件重配置的领域开辟了新的可能。