超宽带光放大新突破：非线性集成波导的创新应用

时间：2025年4月10日

来源：Nature

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为解决传统非线性集成波导实现反常色散时多模操作导致增益和带宽降低的问题，研究人员开展了非线性波导的研究。他们制备出同时具备单模操作和反常色散的非线性波导，实现超宽带放大和高效四波混频（FWM），有望用于多种非线性光子学应用。

在光通信、计算、计量等众多领域，四波混频（FWM）作为一种非线性光学现象，凭借其独特优势，如可实现宽带低噪声光放大和波长转换等，受到了广泛关注。基于非线性集成波导的 FWM 研究更是成为热点，这是因为它具备小尺寸、大非线性和色散工程能力等优势，能为实现高增益、大带宽的 FWM 提供可能。然而，传统设计方法在实现反常色散（，这是实现高参量增益和宽带宽相位匹配的关键条件）时，会使波导出现多模操作的情况。这种多模操作会导致信号和泵浦波的功率下降，进而降低 FWM 的增益、转换效率和带宽，还会使调制信号发生畸变，严重限制了非线性集成波导在相关领域的应用。

为了攻克这些难题，来自查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）光子学实验室等机构的研究人员开展了深入研究。他们提出了一种全新的设计方法，通过结合纵向弯曲和横向横截面构造，成功制备出了同时具有单模操作和反常色散的非线性波导，这一成果发表在《Nature》上。

研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。在波导制备方面，采用了减法电子束光刻工艺来制造超低损耗、高限制的波导，并进行两步蚀刻，还对蚀刻后的波导进行退火和包覆处理。在波导特性测量上，使用商业光频域反射计（OFDR）测试仪结合波长扫描激光器测量波导传播损耗，利用泵浦 - 探测方法测量连续波 FWM 的参量增益和转换效率。

研究结果如下：

单模色散工程波导的实现：通过弯曲波导成功截止高阶模，获得了每偏振单模的非线性螺旋肋波导。以集成平台为例，实现了用于参量增益的单模色散工程非线性波导，验证了所提方法的有效性。
超宽带放大带宽的突破：利用高阶色散，在超低损耗集成波导中实现了超过 300nm 的前所未有的放大带宽。通过理论计算发现，四阶色散（）对实现超宽带参量器件至关重要，如当时，放大带宽增加到 542nm。
高效波长转换的验证：在超过 200nm 的单光通道中实现了 100Gbit 数据的无惩罚全光波长转换。实验结果表明，所提出的与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的单模非线性集成波导在全光信号处理方面具有很大潜力。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功制备出具有超色散工程的极低损耗单模非线性集成波导，用于超宽带、高效、连续波 FWM。通过独特的波导设计，同时实现了单模传输和色散工程，在近红外区域获得了 330nm 的连续波增益带宽，还实现了超过 100Gbit 的宽范围全光波长转换。这些成果与理论预期相符，随着低损耗单模非线性集成波导长度的增加，有望获得更高的连续波参量增益和转换效率。该研究提出的波导设计技术易于实施，为其他集成平台实现低损耗单模色散工程非线性波导提供了可能，在光学、光子学、物理学、量子物理学、化学、生物学等基础研究以及通信、计算、光谱学、成像和计量等工业应用领域都具有重要意义，将推动相关领域的进一步发展。