近日，深圳国际量子研究院集成光学研究团队与合作者在氮化硅光子芯片宽带色散调控机制研究中取得重要进展。研究团队首次系统建立了残余氢、宽带材料色散与非线性微环谐振腔相位匹配之间的物理联系，揭示了残余氢改变氮化硅材料色散的机制：中红外波段的氮氢键吸收和紫外波段电子跃迁的变化通过 Kramers-Kronig (KK) 关系共同影响近红外、可见光波段的色散，且二者作用相反，预测约2 μm波长处相互抵消。相关成果以“Kramers–Kronig causality in integrated photonics: The spectral tension between ultraviolet transition and midinfrared absorption”为题，于2026年9月23日发表在Physical Review Letters期刊。

氮化硅具有超低光学损耗、宽透明窗口和良好的非线性特性，是光频梳、超连续谱、光学参量振荡及量子光源等集成光子技术的重要材料平台。实现这些功能的关键在于精确控制色散，即不同波长的光在芯片中的传播差异。然而，现有设计通常采用假设材料完全纯净的理想化折射率模型，实际器件的工作波长却常常偏离设计结果。如何理解材料中微量杂质对色散的影响，成为制约高精度光子芯片设计的重要问题。

针对这一问题，研究团队发现，芯片制备过程中残留的氢并非仅仅造成局部吸收损耗，还会跨越多个波段改变材料的折射率和色散。通信波段约1.52 μm处观测到的弱吸收峰，只是残余氢存在的“指纹”，并不是色散变化的根本原因。真正主导这一变化的是两个相距较远的光谱过程：中红外约3 μm处的氮氢分子基频振动，以及氢引起的紫外电子跃迁变化。这两个远离器件工作波段的光谱过程之所以能够共同影响可见光和近红外色散，源于KK关系所揭示的光谱非局域性。KK关系是因果性在光学中的体现，它表明材料的吸收与折射率相互关联：某一波段的吸收发生变化，会在整个光谱范围内引起折射率变化。色散描述的是折射率随光频率或波长的变化，因此，紫外电子跃迁和中红外氮氢分子振动虽然远离可见光和近红外波段，仍能通过改变折射率曲线，进而调控这些波段的色散。

研究进一步揭示，中红外氮氢振动和紫外电子跃迁对近红外色散的作用方向相反：前者产生负向色散贡献，后者产生正向色散贡献。两种作用相互竞争，并在约2 μm附近近乎抵消，形成对氢含量不敏感的色散平衡点。值得注意的是，即使残余氢仅带来每米数分贝的微弱损耗，也足以显著移动微谐振器的色散曲线和相位匹配波长，说明微量杂质在精密色散工程中不可忽略。

研究团队通过不同温度的退火处理改变氮化硅中的氢含量，并结合傅里叶变换红外光谱、椭偏测量以及近可见、近红外和中红外多波段微谐振器测试，对上述机制进行了系统验证。充分退火去除氮氢键后，氢相关吸收明显消失，同一芯片的色散曲线发生显著移动，并出现设计所需的相位匹配点。结构测量同时确认退火前后的波导几何形状基本不变，排除了几何形变造成色散变化的可能。

研究团队进一步在同一微谐振腔中开展宽带光频梳实验。去除残余氢后，实验中出现了与修正色散模型一致的相位匹配增强谱线，实现了从材料化学键、宽带光谱响应到器件功能的完整验证。该研究将残余氢从传统意义上的损耗杂质重新认识为一种具有跨波段影响的色散扰动因素，推动集成光子器件设计由经验拟合走向基于物理机制的预测性建模，为光频梳、精密光谱、光通信和量子光子器件的高精度设计提供了新的理论依据。