引言

近日，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合作在国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）上发表了一篇题为“Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides”的研究论文。该研究聚焦于利用非线性集成波导实现超宽带低噪声光学放大和波长转换，为通信、计算、量子光学等领域提供了新的技术路径。团队通过创新的波导设计，实现了单模操作和异常色散的协同优化，显著提升了四波混频（FWM）的效率和带宽。

第一章 四波混频技术的创新应用

四波混频（Four-wave mixing, FWM）是一种非线性光学现象，已被广泛用于研究通信、计算、计量学、成像和量子光学等领域。然而，传统的 FWM 技术在带宽、噪声和波长范围上存在限制。为了克服这些限制，研究团队提出了一种新的设计方法，通过在硅氮化物（Si₃N₄）集成波导中实现单模操作和异常色散，从而显著提高了 FWM 的效率和带宽。

第二章 超宽带光学放大：打破传统限制

传统的光学放大器在带宽和噪声控制方面存在明显的局限性。而四波混频技术则通过非线性光学效应，能够实现低噪声、高增益的光学放大。在这项研究中，科学家们利用单模非线性集成波导，通过精确设计波导的几何结构，实现了超过300纳米的超宽带光学放大。这一成果不仅打破了传统光学放大器的带宽限制，还为实现更高效的光学信号处理提供了可能。

图1 增益和转换效率光谱表明，该波导实现了 330 nm 的 FWM 带宽，这是迄今为止所有已报道的连续波光放大器中带宽最宽的带宽之一。

第三章 高效率波长转换：助力超高速通信

在现代通信网络中，波长转换技术是实现灵活信号路由和光网络重构的关键。这项研究中提出的单模非线性集成波导，成功实现了100 Gbit/s数据在超过200纳米波长范围内的无惩罚全光波长转换。这一技术不仅能够满足当前高速通信网络的需求，还为未来超高速、超长距离通信网络的发展奠定了坚实的基础。

第四章 单模非线性集成波导：创新设计与制造

图2 集成波导的示意图，其展示说明了通过纵向弯曲（螺旋结构）和横向截面结构（肋形设计）实现单模操作和异常色散的原理。

实现超宽带FWM的关键在于设计一种能够在单模操作下实现异常色散的非线性集成波导。研究团队通过结合纵向弯曲和横向截面设计，成功制造出了具有高非线性和低损耗的单模非线性集成波导。这种波导不仅在1.55微米波长处实现了单模传输，还通过高阶色散工程进一步扩展了FWM的带宽。

1.波导参数

波导宽度为1.9微米，高度为300纳米，基底厚度为500纳米。

2.传播损耗

在56厘米长的波导中，传播损耗低至0.6 dB/m。

3.模态特性

通过光频域反射（OFDR）技术测量，验证了波导的单模传输特性。

第五章 理论优化：迈向更高效未来

除了实验验证，研究团队还通过理论模拟对单模非线性集成波导进行了优化。他们提出了两种不同宽度的波导设计，分别用于1.305微米和1.55微米的泵浦波长。理论分析表明，通过进一步优化波导参数和泵浦条件，可以实现更高的增益和更宽的带宽，从而覆盖整个电信波段的传输窗口。

1.增益谱

在2米长的波导中，理论增益达到20 dB，覆盖整个电信波段。

2.泵浦波长

分别使用1.305微米和1.55微米的泵浦波长，实现不同的增益谱。

终章 总结与展望

这项研究不仅在实验室中取得了令人瞩目的成果，还为未来的光学通信和信号处理技术开辟了新的道路。超宽带光学放大器和高效率波长转换器的实现，将极大地提升光网络的灵活性和传输能力。此外，这种单模非线性集成波导的设计方法还可以推广到其他材料平台，为实现更高效的光学器件提供了新的思路。随着制造工艺的不断进步和波导设计的进一步优化，我们有理由相信，未来的光学通信和信号处理技术将迎来更加广阔的发展空间。让我们拭目以待，期待这项技术在实际应用中绽放出更加耀眼的光芒！

相关连接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08824-3

撰稿｜潘一洋

指导丨刘玉龙