光电芯片上的非线性信号处理

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引言
8 [) K5 Y* {0 O( V/ I在过去半个世纪中，非线性光学一直吸引着研究人员的关注，既因为其在光学系统中带来的挑战，更因为其在操控传播波特性方面的优势。虽然光纤在利用非线性效应方面表现出色，但器件的体积过大，难以像芯片上的光子技术那样实现大规模集成。通过采用非线性系数比二氧化硅玻璃高出数个数量级的材料，可在小型集成器件上实现非线性操作[1]。
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1
波传播理论基础
在非线性介质中的光场演化受复杂的波传播方程控制。对于硅等中心对称材料，二阶极化率项不存在，非线性应用中常用的效应与三阶项χ(3)相关。非线性极化分量包括自由载流子诱导和χ(3)扰动两部分。
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6 y8 e! q/ g- P9 o2 L* Y3 v$ q波传播过程中的主要效应包括：
线性和非线性损耗
色散
0 |! S: V8 f/ V% B1 x8 R克尔非线性
; Q1 _. Y7 |9 F! i自由载流子效应
! J7 C9 W% y( C1 Q+ M/ N四波混频(FWM)
8 @9 W1 o: _. p4 T: q1 O* y
( \6 n5 Q' C. G( V1 @' \

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9 A  w7 E9 V, i. f2 o+ i图1：通过四波混频产生的泵浦波、信号波、闲频波以及高阶频率分量的光谱。

2
非线性处理的材料平台
* [0 R/ Z! f) X多种材料平台在芯片上的非线性信号处理方面表现优异：
硅绝缘体(SOI)具有强大的三阶非线性，但在电信波长下存在双光子吸收问题。氮化硅具有极低的损耗(
绝缘体上砷化铝镓(AlGaAs)显示出与硅相当的三阶非线性，且无双光子吸收问题。绝缘体上铌酸锂既有二阶和三阶非线性，又具有强电光效应。

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图2：(A)包含九个1.42米长波导的氮化硅样品照片(B)单个螺旋波导单元的光学显微图像(C)不同信号波长下的片上PSA和PIA增益测量结果。

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3 L; `; t4 Q  P( |应用与实验演示
1. 光参量放大：已在芯片上实现了脉冲和连续波泵浦的光参量放大器。低损耗氮化硅波导的最新进展使2021年首次实现了连续波泵浦OPA，获得9.5 dB的PSA增益。

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- J7 r3 C1 Y1 X: C" Q/ V7 X; \: _图3：(A)梯度折射率锗硅波导横截面(B)色散曲线(C)显示宽带波长转换能力的相位匹配图。

6 ?( U8 m( @/ o" k3 u6 _2. 波长转换：在锗硅和砷化铝镓平台上实现了超宽带波长转换。在微环谐振器中展示了低功率转换，多模波导则实现了新型相位匹配方案。

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6 f* z& O, n# r图4：(A)AlGaAsOI微环谐振器(B)波导横截面的扫描电镜图像(C)10 Gbit/s波长转换的误码率和转换效率测量。

& y$ d, Y/ B, P3 N5 w3. 相位再生：在低双折射锗硅波导中实现了相位敏感放大，可进行光信号的偏振辅助相位再生。

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图5：在锗硅芯片中实现的相位敏感放大，展示相位噪声压缩能力。

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" b' U: i& E0 d, o' x. l" _结论
虽然硅绝缘体是早期芯片上非线性处理的首选平台，但其在电信波长下的非线性吸收促使研究人员探索替代材料。氮化硅、绝缘体上砷化铝镓和绝缘体上铌酸锂等平台在要求严格的非线性光信号处理应用中表现出色。持续的研究正在优化这些平台以提高性能并开发新功能。

参考文献
! U3 W: o9 S/ k' c# Y* {[1] V. Vitali, I. Demirtzioglou, C. Lacava, and P. Petropoulos, "Nonlinear signal processing on chip," in On-Chip Photonics, Elsevier, 2024, ch. 9, pp. 273-293. doi: 10.1016/B978-0-323-91765-0.00011-6
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