近日，我校電子信息學(xué)院趙平團(tuán)隊(duì)聯(lián)合瑞典查爾姆斯理工大學(xué)Peter Andrekson教授團(tuán)隊(duì)，在光放大器制備領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究以Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides為題發(fā)表于Nature。我校趙平研究員為論文第一作者。

作為一種基本的光學(xué)元件，光放大器在通信、傳感、測(cè)量、光譜分析、成像等眾多光學(xué)系統(tǒng)中被廣泛使用。四波混頻集成波導(dǎo)光參量放大器，具有克服受激輻射光放大器帶寬和噪聲系數(shù)物理限制的特點(diǎn)與微型化的優(yōu)勢(shì)，引起了廣泛的研究興趣。如何消除色散管理非線性集成光波導(dǎo)中的多模串?dāng)_，是片上光參量放大的長(zhǎng)期難題。此外，通過(guò)多階色散調(diào)控取得超大帶寬光參量放大，也是人們一直追求的研究目標(biāo)。

基于以上重大挑戰(zhàn)，趙平團(tuán)隊(duì)提出基于“脊形減模+彎曲濾模”技術(shù)的單模、負(fù)色散非線性集成光波導(dǎo)設(shè)計(jì)普適性方法，原理上消除了過(guò)往參量放大非線性多模集成光波導(dǎo)中的隨機(jī)模式串?dāng)_。團(tuán)隊(duì)以超低損耗非線性氮化硅集成平臺(tái)為例，制備出具有平坦傳輸光譜的、單模負(fù)色散非線性集成光波導(dǎo)芯片，如圖1所示。團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步發(fā)展了非線性氮化硅集成光波導(dǎo)中模電模式基模（TE00）二階與四階色散精確協(xié)同調(diào)控技術(shù)，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了帶寬高達(dá)330nm的片上光參量放大，如圖2所示。該項(xiàng)研究為新一代超大帶寬光放大提供了新思路，在提升光纖/無(wú)線光通信容量，擴(kuò)大數(shù)據(jù)中心光互連規(guī)模，提高光學(xué)測(cè)量精度，拓展光譜檢測(cè)分析范圍等方面有良好的應(yīng)用潛力。

圖1 新一代單模色散管理非線性氮化硅集成光波導(dǎo)

圖2 基于新一代非線性氮化硅集成光波導(dǎo)的超大帶寬光參量放大

該工作是趙平研究員領(lǐng)導(dǎo)的集成光電器件及信息技術(shù)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)近期在片上光放大研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)過(guò)往還發(fā)展出三階非線性集成光波導(dǎo)參量放大高效模型與分析方法【J. Light. Technol., 40(1):128-135 (2022)】，曾首次實(shí)現(xiàn)基于三階非線性集成光波導(dǎo)的連續(xù)波光參量放大，并突破受激輻射光放大噪聲系數(shù)3dB量子極限【Science Advances, 7(38):abi8150 (2021)，入選美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)選2022年OPN全球光學(xué)研究進(jìn)展“Optics in 2022”】，還利用非線性氮化硅集成波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了單波速率>100Gbit/s的極簡(jiǎn)全光波長(zhǎng)變換【Nanophotonics, 12(17):3427-3434 (2023)】，已在集成光非線性器件與應(yīng)用方面開(kāi)展了基礎(chǔ)性、體系化研究，未來(lái)將持續(xù)致力于片上光放大、光電集成芯片及其在通信、計(jì)算、測(cè)量等信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。