四川大学最新Nature!!!
四波混频是一种非线性光学现象，可用于宽带低噪声光放大和波长转换。凭借其小尺寸、大非线性和色散工程能力的优势，集成光波导是实现高增益和大带宽四波混频的理想选择，其中异常色散是关键条件。基于硅、铝镓砷和非线性玻璃等材料的各种波导已进行了研究，但因传统设计方法导致多模操作而存在显著的增益和带宽降低问题。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通过创新的波导设计和色散工程，在单模非线性集成波导中实现了超宽带、高效率的四波混频，突破了传统光学放大器的带宽限制，为光通信、量子光学和高速信号处理等领域提供了关键器件支持。研究成果以“Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides”为题发表于Nature。
这篇论文的主要创新点如下：
1：提出了一种结合纵向弯曲结构和横向截面设计的波导制造方法，首次在非线性集成波导中同时实现单模传输与反常色散。传统方法为实现反常色散需牺牲单模特性，导致多模干扰，而本文通过弯曲波导有效截止高阶模式，解决了这一矛盾。
2：在硅氮化物平台上实现了超过 330 nm 的连续波增益带宽，是目前报道中基于非线性光学的连续波放大器中最宽的带宽。
3：展示了 -3.4 dB 的片上转换效率，支持单波长 100 Gbit/s 的全光波长转换（如32-GBd 16-QAM信号），且无需信号预放大。
4：通过平衡二阶（β2）和四阶（β4）色散，理论分析表明带宽可进一步扩展至 542 nm（仿真结果），实验验证了 330 nm 的实际带宽，较传统方法（无四阶色散调控）提升43%。
5：实现了 200 nm 波长跨度内的无差错信号转换，覆盖传统光纤通信的C和L波段以外区域，为未来超宽带光通信和神经形态光子计算提供了可行方案。波导传播损耗低至 0.6 dB/m，且对制造误差具有较高容忍度，适合大规模集成。
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
图2：超宽带集成参数波导与超分散工程
图3：基于单模非线性Si₃N₄集成波导的超宽带、高效率、高速全光波长转换
图4：不同光放大器的带宽和波长范围。
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08824-3
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