哈佛大学Capasso团队研究进展：新型片上级联模式干涉仪实现光谱形状与线宽调控- 大数跨境

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哈佛大学Capasso团队研究进展：新型片上级联模式干涉仪实现光谱形状与线宽调控

两江科技评论

2025-03-25

导读：近日，哈佛大学工程与应用科学学院的Capasso研究团队在硅基集成光子芯片领域取得了重要突破。他们提出了一种新型的片上级联模式干涉，通过利用多模波导中的多个横向模式的转换与干涉，实现了光谱形状和线宽的

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导读

近日，哈佛大学工程与应用科学学院的Capasso研究团队在硅基集成光子芯片领域取得了重要突破。他们提出了一种新型的片上级联模式干涉仪（Cascaded-mode Interferometers），通过利用多模波导中的多个横向模式的转换与干涉，实现了光谱形状和线宽的精确调控。这一研究成果发表在《Science Advances》上，为光学计量、传感、激光物理和量子力学等领域带来了新的可能性。

研究背景

传统的马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer）通过将光束分成两路，经过不同路径后再重新合并，产生干涉效应。虽然这种干涉仪广泛应用于集成光子学中，但其输出光谱呈正弦类波形，限制了光谱调控的能力。为了克服这一限制，哈佛团队提出了一种全新的干涉仪设计，利用多模波导中的多个横向模式，结合模式转换光栅，实现了更复杂的光谱调控。

图1：级联模式干涉仪的结构示意与工作原理图。

研究亮点

【技术细节】

多模波导与模式转换器：

研究团队在绝缘体上硅（SOI）平台上设计了一种多模波导，支持多个横向模式（如TE₀、TE₁、TE₂等）。通过引入透射式模式转换器（Transmissive Mode Converter, TMC），这些模式可以在波导中相互耦合，实现能量的交换。TMC的工作原理基于长周期光栅，满足不同模式之间的布拉格耦合条件。

光谱调控机制：

级联模式干涉仪的核心在于通过多个TMC的级联，实现对不同模式的光谱调控。每个TMC将输入模式的一部分能量转换到另一个模式，类似于光束分束器。通过调整TMC的耦合强度和模式之间的传播常数差异，级联模式干涉仪能够生成近乎任意形状的光谱。

数学建模与实验验证：

研究团队通过传输矩阵形式建立了级联模式干涉仪的数学模型，详细描述了多个模式之间的干涉效应。实验结果表明，通过调整TMC的数量和耦合强度，可以实现窄线宽光谱的生成，并且自由光谱范围（FSR）和线宽可以独立调控。例如，当TMC的数量增加到8个时，光谱的线宽显著减小，且旁瓣得到有效抑制。

多维度光谱调控：

研究团队还展示了如何通过引入更多的横向模式（如TE₀、TE₁、TE₂）来实现多维度的光谱调控。通过设计具有不同周期和耦合强度的模式转换光栅，可以在同一干涉仪中同时调控多个模式的光谱形状。这种多维度调控能力在宽带光谱学和复杂波形生成中具有重要应用。

图2：级联模式干涉仪实现窄线宽光谱设计的理论与实验结果。

【应用前景】

高灵敏度传感：

由于其光谱响应的高灵敏度和窄线宽特性，级联模式干涉仪可以用于检测环境中的微小变化，如温度、应变和化学成分，它在分布式光学传感系统中具有显著优势。

量子干涉与通信：

该技术为量子干涉研究提供了新的工具，特别是在多模量子态的控制和调控方面。此外，级联模式干涉仪还可以用于集成光子通信中的波分复用和解复用、滤波及波形整形。

非线性光学研究：

通过引入非线性光学效应（如在铌酸锂薄膜平台产生二次谐波和超连续谱）到级联模式干涉仪，可以进一步探索多模系统中的非线性动力学和模式耦合现象。

总结与展望

该文章第一作者为哈佛大学的Jinsheng Lu（卢锦胜）博士，通讯作者为Federico Capasso教授和Jinsheng Lu（卢锦胜）博士。合作者包括洛桑联邦理工学院Ileana-Cristina Benea-Chelmus助理教授、布鲁塞尔自由大学Vincent Ginis副教授、格拉茨科技大学Marcus Ossiander助理教授。研究得到了美国空军科学研究办公室（AFOSR）等机构的支持。