研究背景
光放大器作為一種基本的光學元件，因其在通信、傳感、測量、光譜分析、成像等領域的廣泛應用，成為了現代光學技術的關鍵組成部分。與傳統的受激輻射光放大器相比，四波混頻集成波導光參量放大器具有克服帶寬和噪聲系數物理限制、微型化優勢等特點，因此引起了科研人員的廣泛關注。
然而，傳統的多模集成光波導設計常常導致多模串擾問題，這一問題限制了其在片上光放大和其他相關應用中的性能。尤其是，在非線性集成光波導中進行色散管理時，多模串擾成為了實現高效光參量放大的難題。因此，如何消除這些串擾并實現超大帶寬的光參量放大，成為了亟待解決的挑戰。
針對這一挑戰，四川大學趙平團隊聯合瑞典查爾姆斯理工大學Peter Andrekson教授團隊在“Nature”期刊上發表了題為“Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides”的最新論文。該團隊設計并制備了具有單模負色散特性的非線性氮化硅集成光波導，通過“脊形減模+彎曲濾?！奔夹g，實現了消除多模串擾的目標。在這一研究中，團隊成功克服了傳統光參量放大器中由于多模操作帶來的性能限制。
研究通過精確調控波導的色散特性，團隊實現了帶寬高達330nm的片上光參量放大，展示了這一新型集成波導在超大帶寬光放大中的巨大潛力。實驗中，利用這些超低損耗的非線性集成光波導，團隊還成功實現了帶寬超過200nm的100Gbit/s單通道光波長變換，標志著這一技術在超大帶寬光放大和光通信中的重要應用。
這一研究成果不僅為新一代超大帶寬光放大提供了新的思路，也為光通信、數據中心互連、光學測量等領域的技術進步奠定了基礎。趙平教授團隊的工作展示了在非線性集成光波導中精確控制色散的重要性，并為未來光參量放大器的進一步優化提供了理論依據和實驗支持。
研究亮點
實驗首次提出了一種基于“脊形減模+彎曲濾?！奔夹g的單模、負色散非線性集成光波導設計方法，成功消除了傳統多模光波導中非線性串擾的問題。
通過該設計方法，團隊在超低損耗非線性氮化硅集成平臺上制備出具有平坦傳輸光譜的單模負色散非線性集成光波導芯片。
實驗中，研究團隊實現了帶寬高達330nm的片上光參量放大，為超大帶寬光放大技術提供了全新思路。
通過精確的二階與四階色散協同調控，團隊在非線性氮化硅集成光波導中成功實現了超大帶寬光參量放大，展現了該技術在提升光纖/無線光通信容量和光學測量精度等方面的潛力。
圖文解讀
圖1：面向超寬帶光放大與波長轉換的單模色散調控非線性集成波導
圖2：基于超構色散調控的超寬帶集成參量波導
圖3：基于單模非線性螺旋脊形Si3N4集成波導的超寬帶高效高速全光波長轉換
圖4：不同光放大器的帶寬與波長范圍對比
結論展望
本文提出并展示了具有超色散工程的超低損耗單模非線性Si3N4集成波導，用于超寬帶、高效、連續波四波混頻（FWM）。與傳統的僅關注波導橫截面的方法不同，研究者利用三維波導幾何形狀進行片上光場操控，同時實現了非線性集成納米光子波導的單模傳輸和色散工程，覆蓋了通信波段。
研究通過使用0.56米長的單模非線性肋形Si3N4集成波導并施加超色散工程，作者在近紅外波段獲得了330nm的連續波增益帶寬。單模非線性肋形Si3N4波導的參量增益譜覆蓋了通信光纖的整個傳輸窗口。此外，研究者實現了單波長信號的廣泛全光波長轉換，超過100?Gbit/s，而無需放大信號和閑頻波。這些實驗結果與理論預期一致。通過使用更長的低損耗單模非線性肋形Si3N4集成波導，預計可以獲得更高的連續波參量增益和轉換效率。
文章通過橫截面形狀設計與縱向彎曲相結合，研究者提出的波導設計技術易于實現，并可以使其他集成平臺實現低損耗單模色散工程非線性波導。這些波導有望成為光學領域的關鍵構件，從光子學、物理學、量子物理學、化學和生物學的基礎研究到通信、計算、光譜學、成像和計量等工業應用，均具有廣泛的前景。
原文詳情：
Zhao, P., Shekhawat, V., Girardi, M. et al. Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08824-3
