一作兼通讯，四川大学，Nature！

米测MeLab

2025-04-21

研究背景

光放大器作为一种基本的光学元件，因其在通信、传感、测量、光谱分析、成像等领域的广泛应用，成为了现代光学技术的关键组成部分。与传统的受激辐射光放大器相比，四波混频集成波导光参量放大器具有克服带宽和噪声系数物理限制、微型化优势等特点，因此引起了科研人员的广泛关注。

然而，传统的多模集成光波导设计常常导致多模串扰问题，这一问题限制了其在片上光放大和其他相关应用中的性能。尤其是，在非线性集成光波导中进行色散管理时，多模串扰成为了实现高效光参量放大的难题。因此，如何消除这些串扰并实现超大带宽的光参量放大，成为了亟待解决的挑战。

针对这一挑战，四川大学赵平团队联合瑞典查尔姆斯理工大学Peter Andrekson教授团队在“Nature”期刊上发表了题为“Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides”的最新论文。该团队设计并制备了具有单模负色散特性的非线性氮化硅集成光波导，通过“脊形减模+弯曲滤模”技术，实现了消除多模串扰的目标。在这一研究中，团队成功克服了传统光参量放大器中由于多模操作带来的性能限制。    

研究通过精确调控波导的色散特性，团队实现了带宽高达330nm的片上光参量放大，展示了这一新型集成波导在超大带宽光放大中的巨大潜力。实验中，利用这些超低损耗的非线性集成光波导，团队还成功实现了带宽超过200nm的100Gbit/s单通道光波长变换，标志着这一技术在超大带宽光放大和光通信中的重要应用。

这一研究成果不仅为新一代超大带宽光放大提供了新的思路，也为光通信、数据中心互连、光学测量等领域的技术进步奠定了基础。赵平教授团队的工作展示了在非线性集成光波导中精确控制色散的重要性，并为未来光参量放大器的进一步优化提供了理论依据和实验支持。

研究亮点

• 实验首次提出了一种基于“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方法，成功消除了传统多模光波导中非线性串扰的问题。

• 通过该设计方法，团队在超低损耗非线性氮化硅集成平台上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。

• 实验中，研究团队实现了带宽高达330nm的片上光参量放大，为超大带宽光放大技术提供了全新思路。    

• 通过精确的二阶与四阶色散协同调控，团队在非线性氮化硅集成光波导中成功实现了超大带宽光参量放大，展现了该技术在提升光纤/无线光通信容量和光学测量精度等方面的潜力。

图文解读

图1：面向超宽带光放大与波长转换的单模色散调控非线性集成波导

图2：基于超构色散调控的超宽带集成参量波导

图3：基于单模非线性螺旋脊形Si₃N₄集成波导的超宽带高效高速全光波长转换

图4：不同光放大器的带宽与波长范围对比

结论展望

本文提出并展示了具有超色散工程的超低损耗单模非线性Si₃N₄集成波导，用于超宽带、高效、连续波四波混频（FWM）。与传统的仅关注波导横截面的方法不同，研究者利用三维波导几何形状进行片上光场操控，同时实现了非线性集成纳米光子波导的单模传输和色散工程，覆盖了通信波段。

研究通过使用0.56米长的单模非线性肋形Si₃N₄集成波导并施加超色散工程，作者在近红外波段获得了330nm的连续波增益带宽。单模非线性肋形Si3N4波导的参量增益谱覆盖了通信光纤的整个传输窗口。此外，研究者实现了单波长信号的广泛全光波长转换，超过100 Gbit/s，而无需放大信号和闲频波。这些实验结果与理论预期一致。通过使用更长的低损耗单模非线性肋形Si3N4集成波导，预计可以获得更高的连续波参量增益和转换效率。

文章通过横截面形状设计与纵向弯曲相结合，研究者提出的波导设计技术易于实现，并可以使其他集成平台实现低损耗单模色散工程非线性波导。这些波导有望成为光学领域的关键构件，从光子学、物理学、量子物理学、化学和生物学的基础研究到通信、计算、光谱学、成像和计量等工业应用，均具有广泛的前景。    

原文详情：

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