作为一种基本的光学元件，光放大器在通信、传感、测量、光谱分析、成像等众多光学系统中被广泛使用。四波混频集成波导光参量放大器，具有克服受激辐射光放大器带宽和噪声系数物理限制的特点与微型化的优势，引起了广泛的研究兴趣。如何消除色散管理非线性集成光波导中的多模串扰，是片上光参量放大的长期难题。此外，通过多阶色散调控取得超大带宽光参量放大，也是人们一直追求的研究目标。
4月9日，瑞典查尔姆斯理工大学Peter Andrekson教授团队与四川大学赵平研究员团队合作，在《Nature》期刊上发表题为“Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides”（利用非线性集成波导实现超宽带光放大）的研究论文。赵平研究员为论文第一作者，赵平研究员、Peter Andrekson教授为论文共同通讯作者。
基于以上重大挑战，研究团队提出基于“脊形减模+弯曲滤模”技术的单模、负色散非线性集成光波导设计普适性方法，原理上消除了过往参量放大非线性多模集成光波导中的随机模式串扰。团队以超低损耗非线性氮化硅集成平台为例，制备出具有平坦传输光谱的、单模负色散非线性集成光波导芯片，如图1所示。团队还进一步发展了非线性氮化硅集成光波导中模电模式基模（TE00）二阶与四阶色散精确协同调控技术，实验中实现了带宽高达330nm的片上光参量放大，如图2所示。该项研究为新一代超大带宽光放大提供了新思路，在提升光纤/无线光通信容量，扩大数据中心光互连规模，提高光学测量精度，拓展光谱检测分析范围等方面有良好的应用潜力。
图1：新一代单模色散管理非线性氮化硅集成光波导
图2：基于新一代非线性氮化硅集成光波导的超大带宽光参量放大
多模串扰难题呼唤创新技术方案
光通信、光学计算、量子光学等领域的飞速发展，对光学放大技术提出了越来越高的要求。作为一种重要的非线性光学现象，四波混频（FWM）能够突破传统受激辐射光放大器在带宽、噪声系数和波长范围等方面的限制，还能产生传统激光器难以实现的光波，因此在超长途传输、全光高速信号处理、光探测与测距以及生物化学分析等领域备受关注。
在FWM的研究进程中，色散工程起着举足轻重的作用。特别是超色散工程，即二阶和四阶色散协同作用，对于实现宽带FWM和获得高参数增益至关重要。早期，基于低损耗二氧化硅光纤的FWM研究广泛开展，光纤具有较长的非线性光学相互作用距离，但它也存在明显的缺陷，如非线性较低、参数带宽较窄，并且容易受到偏振和色散漂移的影响，这些问题严重制约了FWM的效率和带宽。
为了克服光纤的这些不足，研究人员将目光转向了基于x(3)的非线性集成波导。这类波导具有高非线性、小尺寸和灵活的图案化等优点，能够在芯片上对光场特性进行出色的控制，为实现高效宽带FWM带来了新希望。其中，高折射率对比的二氧化硅包层非线性集成波导成为研究热点，多种材料体系的此类波导被深入探索，包括硅、氮化硅、铝镓砷、非线性玻璃和石墨烯等。
然而，传统的高折射率对比二氧化硅包层非线性集成波导在实现反常色散时，往往只能通过多模工作来达成，而多模带来的随机且不可避免的模式耦合，会使信号和泵浦波的功率下降。这不仅降低了FWM的增益、转换效率和带宽，还会对调制信号造成失真。例如，常规的矩形芯色散工程氮化硅集成波导就存在严重的光谱波动问题。因此，开发同时具备单模工作和反常色散特性的非线性集成波导，成为实现超宽带、高效FWM的关键难题，也是本文研究的重要出发点。
巧思实现单模、负色散
非线性集成光波导设计普适性方法
在解决上述关键难题的探索中，本文提出了一种创新的通用设计方法，旨在实现反常色散单模非线性集成波导，为超宽带光学放大奠定坚实的理论基础。
该方法巧妙地结合了纵向弯曲与横向横截面构造。传统的设计思路大多仅关注波导的横向横截面几何形状，而本文的方法充分利用了波导的三维几何结构来实现对光场的有效操控。以氮化硅集成平台为例，研究人员通过精心设计波导的弯曲结构，成功地实现了高阶模式的截止，同时维持了反常色散特性。
具体来说，对于所研究的氮化硅肋形波导，当波导处于直线状态时，它原本支持多个模式。但研究发现，通过精确控制波导的弯曲半径，当半径减小到特定值（如小于1150μm）时，高阶模式TE10能够被有效截止，从而使波导实现单模工作。在这个过程中，研究人员对不同模式的有效折射率进行了深入的模拟分析。结果表明，通过合理调整波导的宽度、半径以及其他结构参数，如肋高H1和板厚H2，可以精确地调节TE00模式的色散，使其在所需的波长范围内呈现出反常色散特性。
除了实现单模工作和反常色散，研究人员还深入研究了超色散工程对FWM带宽的影响。四阶色散在其中十分重要，它能够引入新的相位匹配波长，从而显著拓宽放大带宽。通过理论计算，研究人员绘制了不同四阶色散情况下的理论转换效率光谱曲线。结果显示，当四阶色散为0.3fs4μm-1时，放大带宽从原本的270nm大幅增加到542nm；而当四阶色散达到0.6fs4μm-1时，不仅实现了385nm的放大带宽（相比四阶色散为0时增加了43% ），还获得了两个平坦的增益区域。
这种设计方法不单适用于氮化硅波导，它具有通用性，能够为其他集成平台实现类似的低损耗单模色散工程非线性波导提供重要的参考。
实验方案
基于上述创新的理论方法，研究人员设计并实施了一系列实验来验证其可行性和有效性。
波导制备与线性表征
研究人员采用减法电子束光刻工艺来制造螺旋肋形波导。首先，在具有3μm厚二氧化硅层的4英寸硅片上，通过低压化学气相沉积法沉积800nm厚的氮化硅层。这一步为后续的波导结构构建提供了基础材料。接着，进行两步蚀刻工艺，第一步刻蚀出300nm厚、1.9μm宽的氮化硅螺旋肋，第二步在500nm厚的平板层中形成微沟槽，以防止氮化硅开裂，并在芯片边缘制作双层锥形结构，便于与透镜光纤耦合。随后，将蚀刻后的波导在氩气氛围中进行高于1100°C的退火处理，再通过低压化学气相沉积法覆盖3μm厚的二氧化硅包层，最后将整个晶圆切割成芯片。
制备完成后，研究人员对波导的各项参数进行了细致的测量和表征。使用光斑直径为3μm的透镜光纤与氮化硅纳米光子芯片耦合，测得在1550nm波长下，螺旋肋形波导\(TE_{00}\)模式的平均耦合损耗约为每面2.5dB。利用商用OFDR测试仪结合波长扫描激光，测量得到波导的传播损耗，如18cm长的WG1波导传播损耗为0.6dBm-1，56cm长的WG2波导传播损耗约为2.5dBm-1。在测量线性传输光谱时，研究人员专注于TE00模式，使用功率恒定的可调谐激光，波长步长设置为1pm。
四波混频表征实验
研究采用泵浦-探测方法来测量连续波光在0.56米长的单模肋形非线性氮化硅集成波导中的四波混频参数增益和转换效率。实验中使用了三个半导体外部腔激光器（ECLs）来产生可在1355nm至1680nm范围内调谐的信号波，另一个半导体ECL发射1551.1nm的泵浦波，该泵浦波经高功率掺铒光纤放大器放大后，与信号波通过低损耗薄膜波分复用（WDM）耦合器合并，并通过透镜光纤输入到单模非线性氮化硅集成波导中。
在输入过程中，确保泵浦波和信号波的偏振态都与波导的TE00模式对齐。在波导的输入端口，使用光谱分析仪记录1%的光场；输出端口，先通过带宽为15nm的粗波分复用耦合器降低残留泵浦强度，然后再测量光光谱。通过对输入和输出光光谱进行功率校准，研究人员精确计算出每个信号波长下的四波混频增益和转换效率。
光通信波长转换实验
研究利用0.56米长的单模非线性氮化硅肋形波导，对NRZ和16- QAM信号进行全光波长转换实验。对于NRZ调制格式，实验使用马赫-曾德尔调制器将来自误码率（BER）测试仪的10Gbit/s电信号转换为波长为1680nm的光信号，该光信号输出功率约为2dBm。在芯片上的四波混频过程中产生10Gbit/s、波长为1441nm的NRZ闲频波后，使用两个带宽为15nm的1550nm粗波分复用耦合器彻底降低残留泵浦，再通过带通滤波器选择闲频波。最后，利用具有一个光电探测器和两个射频放大器的10GHz强度接收器将光信号转换回电信号，并输入到BER测试仪中，用于计算误码率和记录接收信号的眼图。
图3：基于单模非线性螺旋肋形氮化硅集成波导的超宽带高效高速全光波长转换
对于16-QAM光信号，实验采用电任意波形发生器生成32GBd的同相和正交分量，分别放大后输入到单偏振相干电光调制器中。为了检测波长转换后的16-QAM光信号，使用了一个商用相干接收器，并搭配另一个可调谐ECL作为本地振荡器。将芯片输入的信号波长设置为1670nm，使得16-QAM数据能够转换为1447nm的闲频波，以确保波长相关的相干接收器响应度足以进行数据恢复。相干接收器后的电信号由高速实时示波器记录，并通过离线数字信号处理来分析信号的误码率和星座图。
图4：不同光放大器的带宽和波长范围
实现带宽高达330nm的片上光参量放大
波导性能方面，研究成功制备出了具有超色散工程的极低损耗单模非线性氮化硅集成波导。在0.56米长的该波导中，实现了近红外波段330nm的连续波增益带宽，这一成果在目前报道的连续波光放大器中处于领先地位。与以往相关研究相比，该带宽实现了显著拓宽，为实现更高效的光学放大提供了有力支持。通过精确控制波导的结构参数，实现单模传输和反常色散的协同，有效避免了多模带来的模式耦合问题，提高了四波混频的效率和稳定性。
光通信应用领域，研究人员利用该波导实现了超过100Gbit/s、超200nm波长跨度的单波长信号全光波长转换，且在转换过程中无需对信号和闲频波进行额外放大。成果打破了传统光通信中波长转换的限制，为实现更高速、更宽带的光通信网络提供了新的技术手段。以32-GBd 16-QAM信号为例，研究成功展示了其在超200nm波长范围内的全光波长转换，星座图和误码率等指标表明转换后的信号质量良好，能够满足实际通信的需求。
从理论优化角度来看，通过对单模非线性氮化硅肋形波导宽度的理论优化，研究发现特定宽度的波导在不同泵浦波长下具有出色的增益表现。例如，对于长度为2米、损耗为0.6dBm-1的波导，当泵浦波长为1305nm和1550nm时，可提供约20dB的最大增益，并且能够覆盖单模电信光纤的整个传输窗口。
主要研究人员
赵平，四川大学电子信息学院特聘研究员、博导，研究方向为集成光电子器件及其在光通信等信息处理中的应用。长期从事面向通信及信息处理的微纳光子器件及系统研究，拥有学术与工业界复合的研究经历。曾获华中科技大学本科与博士学位，毕业后在华为技术有限公司从事高速光通信技术预研工作5年，之后进入瑞典查尔姆斯理工大学，历任博后、研究员、长聘研究员，开展基于超低损耗非线性氮化硅集成光波导的超大带宽、低噪声光放大器及其应用研究。已在Nature、Science Advances等国际期刊及会议上发表论文27篇（OFC 2021 / CLEO 2021 / ACP 2023会议截稿后论文各1篇），研究入选Optica OPN 2022年度进展“Optics in 2022”，授权中国/美国/欧洲专利10项，四次做国际会议邀请报告，曾荣获华为网络总裁奖、湖北省优秀博士学位论文奖等，IEEE/Optica会员。
Peter Andrekson，瑞典皇家工程科学院院士，瑞典查尔姆斯理工大学教授、光子学微技术和纳米科学部门负责人。于1988年在瑞典查尔姆斯理工大学获得博士学位，1989年至1992年在美国新泽西州默里山AT&T贝尔实验室工作，之后回到查尔姆斯理工大学任职。2000年至2003 年担任美国宾夕法尼亚州阿伦敦市Cenix公司研究总监，同时还在美国宾夕法尼亚州伯利恒市的里海大学新成立的光学技术中心任职。
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-025-08824-3
[3]https://eie.scu.edu.cn/info/1044/12861.htm
[4]https://www.chalmers.se/en/persons/andrekso/