利用非线性集成波导实现超宽带光放大

逍遥设计自动化 · 发表于 2025-4-24 08:00:00

引言
四波混频（FWM）是一种非凡的非线性光学现象，其应用范围涵盖了通信、计算、计量学、成像和光量子技术等多个领域。这种非线性效应可以产生宽带低噪声光放大，并实现跨越广泛光谱范围的波长转换。集成光子技术的最新突破使研究人员能够以新的方式利用这一效应，为光学技术创造新的可能[1]。

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四波混频的基本原理
四波混频是当强泵浦波和弱信号波在非线性介质中相互作用时发生的非线性过程。在这一相互作用过程中，信号被放大，同时在由关系式ωi = 2ωp - ωs确定的频率处产生新的闲频波，其中ωp是泵浦频率，ωs是信号频率。

为使这一过程高效进行，相位匹配非常重要，这受波导的色散特性影响。具体来说，反常色散（即β?

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传统波导的多模式问题
为实现反常色散而设计的传统高折射率对比度二氧化硅包覆非线性集成波导通常支持多种模式。这种多模式运行会导致严重问题，包括由于随机且不可避免的模式耦合导致信号和泵浦波的功率下降。结果是FWM增益降低、转换效率降低、带宽减小以及信号失真。

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图1：单模色散工程非线性集成波导用于超宽带光放大和波长转换。(a)常规矩形核心（蓝色）和提出的单模肋型（红色）非线性氮化硅集成波导的归一化测量传输光谱。(b)提出的单模非线性肋型氮化硅集成波导的截面扫描电子显微镜图像。(c)提出的螺旋单模色散工程肋型非线性集成波导的一个单元示意图。(d)非线性肋型氮化硅集成波导中不同模式的有效折射率与弯曲半径的关系，W = 1.9 μm，H1 = 300 nm和H2 = 500 nm。(e)当波长从1,480 nm扫描到1,640 nm时，18厘米长（黄色，WG1）和56厘米长（蓝色，WG2）单模非线性肋型氮化硅集成波导的OFDR轨迹。

如图1a所示，传统矩形核心波导遭受严重的光谱波动，在某些波长处的功率衰减超过10 dB。这对需要稳定和高效非线性过程的应用来说是一个显著的限制。

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新方法：具有反常色散的单模波导
研究人员开发了一种突破性的方法来制造同时实现单模运行和反常色散的非线性波导。这种方法结合了纵向弯曲和横向截面构造，创建了具有二氧化硅包覆的肋型波导，而非传统的矩形核心设计。

图1b显示了提出的1.9微米宽单模非线性肋型氮化硅集成波导截面的扫描电子显微镜图像。同时实现单模运行和反常色散的关键技术是弯曲波导以切断高阶模式并维持反常色散。图1c是提出的波导示意图，其中W、R、H1和H2分别是肋宽度、半径、高度和板厚度。

为验证所提出的方法，研究人员以氮化硅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。图1d展示了在1,550 nm波长下不同模式的有效折射率作为波导半径的函数。当波导半径减小到小于1,150 μm时，高阶模式TE10（绿线）被切断。因此，通过适当的弯曲排列，研究人员获得了每个偏振只有一个模式的非线性螺旋肋型氮化硅波导。

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超色散工程实现超宽带运行
除了实现具有反常色散的单模运行外，研究人员还利用超色散工程——同时操控二阶（β?）和四阶（β?）色散——显著扩展了FWM的带宽。

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图2：具有超色散工程的超宽带集成参量波导。(a)具有各种四阶色散的1米长χ(3)基非线性集成波导的理论转换效率光谱曲线。(b)上部：0.56米长单模非线性肋型氮化硅集成波导FWM表征的实验装置；下部：具有1,551.1 nm泵浦和1,415 nm信号的WDM耦合器后的光谱。(c,d)单模非线性氮化硅集成波导在34 dBm片上泵浦功率下的测量（红圈）开-关参量增益(c)和片上转换效率(d)。

图2a展示了四阶色散如何影响FWM的带宽。通过调整β?，研究人员实现了显著的放大带宽。当β? = 0（黑色虚线）时，波导提供了270 nm的带宽，而将β?增加到0.3 fs? μm?1（红线）时，带宽扩展到542 nm——增加了43%。当在β? = 0.6 fs? μm?1处优化非线性移位、二阶和四阶色散之间的平衡时，获得了两个平坦的增益区域，产生了385 nm的放大带宽。

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实验结果：卓越性能
使用长度为56厘米的单模非线性肋型氮化硅集成波导并采用超色散工程，研究人员在近红外区域实验性地证明了330 nm的连续波增益带宽。这代表了迄今为止报道的所有连续波光放大器中最宽的带宽之一。

研究人员使用泵浦-探测方法表征了0.56米长单模非线性肋型氮化硅集成波导中的超宽带FWM（图2b）。片上泵浦功率为34 dBm，考虑到耦合损耗。图2b的下部显示了WDM耦合器减轻残余泵浦后的WG2输出光谱。信号、泵浦和闲频波长分别为1,415、1,551.1和1,716 nm。

图2c和2d描绘了测量的（蓝色）开-关参量增益和片上转换效率光谱。使用开-关增益是因为它可以减轻波导端面上波长依赖耦合损耗对测量的影响。实线是在1,551 nm处理论拟合的光谱，其中β? = -2.2 ps2 km?1，β? = 1.9 fs? μm?1。测量曲线和理论曲线一致性良好，仅有小的差异，这可能是由于波导的波长依赖损耗。研究人员在1,500 nm波长处获得了-3.4 dB的最大片上转换效率，如图2d所示。增益和转换效率光谱表明，研究人员实现了330 nm的FWM带宽。

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在光通信中的应用
开发的单模色散工程非线性波导成功应用于光通信的全光波长转换，证明了其实用性。

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图3：基于单模非线性螺旋肋型氮化硅集成波导的超宽带高效率高速全光波长转换。(a)氮化硅芯片基全光波长转换的实验装置，用于强度调制和相干光通信。(b)10 Gbit s?1 NRZ信号（1,680 nm）和转换后闲频波（1,441 nm，紫色虚线）的BER作为接收光功率的函数。(c,d)经过离线数字信号处理后1,670 nm信号(c)和1,448 nm闲频波(d)的32 GBd 16-QAM星座图。

研究人员实现了10 Gbit s?1无归零（NRZ）强度调制信号和32-GBd 16正交幅度调制（16-QAM）信号的全光波长转换，净速率超过100 Gbit s?1。值得注意的是，他们在无需放大信号和闲频波的情况下，实现了超过200 nm跨度的波长转换。转换后的信号与原始信号相比几乎没有质量损失，证明了这些波导在实际应用中的高性能。如图3b所示，闲频波与1,441 nm的背靠背（B2B）信号相比几乎没有惩罚，这表明所提出的CMOS兼容单模非线性氮化硅集成波导在全光信号处理方面有很大潜力。

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与其他光放大器的比较
这些单模非线性肋型氮化硅集成波导的突破性进展使其在光放大技术领域处于领先地位。

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图4：不同光放大器的带宽和波长范围。(a)近红外区域连续波光放大器的最新带宽，基于受激发射和非线性光学平台。(b)在1,305 nm（红色）或1,550 nm（绿色）波长泵浦的优化单模非线性肋型氮化硅集成波导的OPA理论增益谱。

传统的受激发射光放大器如掺铒光纤放大器（EDFA）、掺铋光纤放大器（BDFA）和半导体光放大器（SOA）由于依赖特定的电子跃迁而带宽有限。相比之下，基于FWM的非线性光放大器通过利用色散工程和调整泵浦波长的灵活性可以实现更宽的带宽，如图4a所示。

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未来展望：朝向完整光谱覆盖
研究人员进一步理论上优化了单模非线性肋型氮化硅集成波导的设计，以实现高增益光学参量放大器（OPA）。图4b显示了宽度为1,600 nm和1,828 nm的2米长波导的理论参量增益谱。

利用这些优化设计，在1,305 nm和1,550 nm波长泵浦的两个OPA可以提供约20 dB的最大增益，并覆盖单模通信光纤的整个传输窗口。这两种波导可以集成在同一芯片上，总尺寸仅为3 cm × 3 cm，强调了紧凑高效宽带放大解决方案的潜力。

OPA在200 nm带宽上的光谱平坦度可以通过实施双泵浦、色散或泵浦相位移动技术进一步改善。此外，具有多层的肋结构将为超色散工程提供更多自由度，可能导致更宽的参量带宽。

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结论
具有反常色散和超色散工程的单模非线性集成波导的开发代表了非线性光子技术的重大进步。这些波导实现了超宽带、高效率的连续波四波混频，放大带宽超过300 nm。

波导设计中横截面形状与纵向弯曲的结合提供了一种通用方法，可以应用于氮化硅以外的各种集成平台。这一突破为从长距离光通信和高速信号处理到光谱学、成像和光量子技术等多个领域创造了新的可能性。

随着制造技术的不断改进，更长低损耗单模非线性波导的制造将实现更高的参量增益和转换效率。这些单模色散工程非线性波导将成为光子技术的基本构建模块，在电信和量子计算等多个领域产生重要影响。

参考文献
[1] P. Zhao, V. Shekhawat, M. Girardi, Z. He, V. Torres-Company, and P. A. Andrekson, "Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides," Nature, vol. 612, pp. 1-6, Apr. 2025, doi: 10.1038/s41586-025-08824-3.
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