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近(jin)日，四(si)川(chuan)大(da)學電子信息學院趙(zhao)平(ping)團隊(dui)聯合瑞典(dian)查爾姆斯理(li)工大(da)學Peter Andrekson教授(shou)團隊(dui)，在光放大(da)器制備領域取得重要進展。相關研究以Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides為(wei)題發表(biao)于Nature。四(si)川(chuan)大(da)學趙(zhao)平(ping)研究員為(wei)論文第一作者。
作為一種(zhong)基本(ben)的(de)光(guang)(guang)學元件，光(guang)(guang)放(fang)大器在通信(xin)、傳感、測量、光(guang)(guang)譜分析、成像(xiang)等眾多(duo)光(guang)(guang)學系統中被廣泛(fan)使用。四波混(hun)頻集成波導光(guang)(guang)參量放(fang)大器，具有克(ke)服受激輻射(she)光(guang)(guang)放(fang)大器帶(dai)寬和噪聲系數物(wu)理限制(zhi)的(de)特(te)點與微型化的(de)優(you)勢，引起了廣泛(fan)的(de)研究興趣。如(ru)何消(xiao)除色散管理非線性集成光(guang)(guang)波導中的(de)多(duo)模串(chuan)擾，是片(pian)上光(guang)(guang)參量放(fang)大的(de)長期難題。此外(wai)，通過多(duo)階色散調控取(qu)得(de)超大帶(dai)寬光(guang)(guang)參量放(fang)大，也是人們一直追求的(de)研究目(mu)標。
基于以(yi)(yi)上重大(da)挑(tiao)戰(zhan)，趙平團隊提(ti)出基于“脊形減模(mo)(mo)+彎曲濾模(mo)(mo)”技(ji)術的單模(mo)(mo)、負色散非(fei)線(xian)性(xing)(xing)集(ji)(ji)成(cheng)光(guang)波導(dao)設計普適(shi)性(xing)(xing)方法，原理上消除了(le)過往參(can)量(liang)放大(da)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)多模(mo)(mo)集(ji)(ji)成(cheng)光(guang)波導(dao)中(zhong)的隨機模(mo)(mo)式串擾。團隊以(yi)(yi)超低損耗非(fei)線(xian)性(xing)(xing)氮(dan)化硅集(ji)(ji)成(cheng)平臺(tai)為例，制備(bei)出具(ju)有(you)平坦傳(chuan)輸光(guang)譜的、單模(mo)(mo)負色散非(fei)線(xian)性(xing)(xing)集(ji)(ji)成(cheng)光(guang)波導(dao)芯(xin)片(pian)，如(ru)(ru)圖1所(suo)示(shi)。團隊還進一步發展(zhan)了(le)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)氮(dan)化硅集(ji)(ji)成(cheng)光(guang)波導(dao)中(zhong)模(mo)(mo)電模(mo)(mo)式基模(mo)(mo)(TE00)二階(jie)與四階(jie)色散精確協同調控技(ji)術，實驗中(zhong)實現了(le)帶(dai)寬高達330nm的片(pian)上光(guang)參(can)量(liang)放大(da)，如(ru)(ru)圖2所(suo)示(shi)。該(gai)項(xiang)研究為新一代(dai)超大(da)帶(dai)寬光(guang)放大(da)提(ti)供了(le)新思路，在提(ti)升光(guang)纖/無線(xian)光(guang)通信容量(liang)，擴(kuo)大(da)數據(ju)中(zhong)心(xin)光(guang)互(hu)連(lian)規模(mo)(mo)，提(ti)高光(guang)學(xue)測(ce)量(liang)精度(du)，拓(tuo)展(zhan)光(guang)譜檢測(ce)分析范圍(wei)等方面(mian)有(you)良好的應用潛力。
圖1 新一代單模色散(san)管理非線性(xing)氮化硅(gui)集(ji)成光波(bo)導
圖2 基于新一代非線(xian)性氮(dan)化硅集成光(guang)波導的超大帶寬光(guang)參量放大
該(gai)工(gong)作(zuo)是(shi)趙平研(yan)(yan)究(jiu)員領(ling)(ling)導(dao)的(de)(de)(de)集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)光(guang)電(dian)器件(jian)及(ji)(ji)信(xin)息(xi)技(ji)術應(ying)用團(tuan)隊(dui)近(jin)期在片上(shang)光(guang)放大(da)研(yan)(yan)究(jiu)領(ling)(ling)域的(de)(de)(de)最(zui)新進展。團(tuan)隊(dui)過往還發展出三階非線(xian)性集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)光(guang)波(bo)導(dao)參量(liang)放大(da)高效模(mo)型(xing)與(yu)分析方(fang)法【J. Light. Technol., 40(1):128-135 (2022)】，曾首次實現基于三階非線(xian)性集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)光(guang)波(bo)導(dao)的(de)(de)(de)連續波(bo)光(guang)參量(liang)放大(da)，并突破受激輻射光(guang)放大(da)噪聲(sheng)系數3dB量(liang)子極(ji)限【Science Advances, 7(38):abi8150 (2021)，入選美國光(guang)學學會(hui)評選2022年OPN全球光(guang)學研(yan)(yan)究(jiu)進展“Optics in 2022”】，還利(li)用非線(xian)性氮化硅(gui)集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)波(bo)導(dao)實現了單(dan)波(bo)速率>100Gbit/s的(de)(de)(de)極(ji)簡全光(guang)波(bo)長變換【Nanophotonics, 12(17):3427-3434 (2023)】，已在集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)光(guang)非線(xian)性器件(jian)與(yu)應(ying)用方(fang)面開展了基礎(chu)性、體系化研(yan)(yan)究(jiu)，未來將持續致力于片上(shang)光(guang)放大(da)、光(guang)電(dian)集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)芯片及(ji)(ji)其在通信(xin)、計算、測量(liang)等信(xin)息(xi)技(ji)術領(ling)(ling)域的(de)(de)(de)應(ying)用基礎(chu)研(yan)(yan)究(jiu)。
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