近日，韩国大邱庆北科技学院（DGIST）和济州大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种基于微机电系统（MEMS）的光子分子装置，实现了四波混频过程中的全可调性。这种创新装置可以精确调节耦合比和相位，从而优化光学信号处理中的转换效率。该工作以“Controlling Four-Wave Mixing through Full Tunability of MEMS-Based Photonic Molecules”为题，发表在《ACS Photonics》上。
在光学信号处理中，四波混频（FWM）是一种关键的非线性过程。常发生在微环谐振器中。然而，传统的微环谐振器在光子集成电路中精确调节耦合强度和相位移方面面临挑战。为解决这一问题，研究团队提出了完全可调耦合谐振器的光子分子器件，其光学腔的相互作用类似于分子内的相互作用。该装置结合了微机电系统（MEMS），实现了精确控制。与之前无法调节耦合强度的光子分子不同，这是首个能够调节耦合比和相位的四波混频装置。这一创新显著扩展了四波混频过程的功能和应用范围。
图1：物理概念示意图。
研究背景与技术创新
四波混频（FWM）作为一种非线性光学过程，通过不同波长的输入波生成新的输出波长，广泛应用于光学信号处理和通信系统。利用光子集成电路技术，可以在微型化和高效的光学系统中实现这一过程。光子分子系统由耦合谐振器光波导（CROW）组成，其光学腔之间的相互作用类似于分子中的原子相互作用。
在这项研究中，研究团队开发了一种第二阶CROW光子分子装置，集成了MEMS可调耦合器和相位调节器，实现了对光学信号的精确控制。器件中包括三个可调耦合器和两个相位调节器，可以调节输入/输出端口与谐振器之间以及两个环形谐振器之间的耦合比，并可独立调节每个谐振器的相位。这种设计允许对光学信号的共振峰位置和传输强度进行精确调整，从而优化四波混频过程中的转换效率。
图2：器件示意图。
研究成果与应用前景
通过实验，研究团队展示了利用MEMS技术实现光子分子装置的全可调性。在四波混频过程中，利用该装置可以调节每个谐振器的共振强度和位置，以满足不同输入波长的相位匹配条件，从而最大化转换效率。实验结果表明，通过调节相位和耦合比，可以显著提高四波混频过程的效率，且该方法具有低功耗和高稳定性的优点。
研究团队表示，这一创新技术不仅适用于硅材料，还可以推广应用到其他具有优异非线性光学特性的材料平台，进一步提高效率。未来，MEMS技术的应用有望在多谐振器非线性光学系统中实现全可调性，推动光学信号处理和通信技术的进一步发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c01814
