以下文章来源于爱光学，作者有理想

近日，光学领域研究成果登上Nature。瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg团队发文，报道了一种能够实现连续波长净增益放大输入光信号的光参量放大器。

光放大器在光纤通信中的关键作用

光纤通信在进行长距离传输时，由于光线中存在损耗和色散，光信号能量降低、光脉冲发生展宽；每隔一定距离就需设置一个放大器，以便对光信号进行放大。因此一直以来，光信号放大技术的研究都是光纤通信技术的研究关键。光放大器主要有两种，光纤放大器和半导体放大器，半导体放大器分为谐振式和行波式；光纤放大器分为掺稀土元素光纤放大器和非线性光学放大器。光纤掺稀土元素放大器应用最多的是掺铒光纤放大器，即在光纤中掺杂稀土离子作为激光活性物质。由于电子存在振动能阶，掺铒光纤放大器能够放大的波长不是单一随意的，而是一个典型范围1530~1570 nm，即在1550 nm左右。瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg团队Johann Riemensberger（第一作者）在Nature上发文，报道了一种能够实现连续波长净增益放大输入光信号的光参量放大器。

任意波长光信号放大

通过改变传输系统中电容或光学材料的折射率，利用光纤和波导的三阶非线性也可以实现光信号放大，这就是光参量放大器。光参量放大器与光学跃迁放大器相比，有其独特的优点，参数放大器几乎可以在任何波长内实现宽带增益，并且这种增益完全取决于所用波导材料的色散，这使得参数放大器在传统增益介质无法覆盖的波长范围内实现增益。

在过去的十年中，非线性光子集成平台波导材料的研究取得了很多显著进展，比如氮化硅(Si₃N₄)、AlGaAs、GaP、钽和硫族化物。这些波导材料具有比硅纤维更高的有效三阶非线性，并可以光刻定制其色散值。然而迄今为止，由于净增益只能通过使用脉冲光泵克服波导材料损耗来实现，因此，基于三阶非线性的连续行波光参量放大器放大任意波长输入信号的能力还没有被证实。

首次实现连续行波光放大器

基于最新研制的具有非线性和超低色散损耗的氮化硅集成波导材料，Tobias J. Kippenberg研究团队将长为2 mm的新型氮化硅螺旋集成波导安装在5 mm×5 mm硅芯片上，制成超小超低损耗氮化硅光参量放大器，实物图如图1(中)所示。输出信号如图1(右)所示，输出信号被放大，并产生了一个相位共轭信号。

图1 激光泵和信源输入信号（左）、氮化硅光参量放大器实物图（中）、激光泵和信源输出信号（右）

为验证制作出来的光参量放大器的性能，研究人员使用保偏扫描二极管激光光谱仪和光学频域反射计,在信号波长范围为1260 nm~1630 nm内，测量光参量放大器波导材料的透射光谱、色散分布和损耗。该实验装置图如图2所示，使用20 dB的方向耦合器(99/1)耦合泵浦光和信号光，经光参量放大器放大后，将输出光传入光谱分析仪(OSA)进行分析；同时，输出光过滤掉放大和调制的信号光后，进入数字示波器(OSC)进行分析。

图2 参数增益和变频效率测量实验装置图

实验结果显示，在氮化硅波导螺旋中，光纤到芯片耦合损耗和光纤传播损耗低至10 dB，并且，信号实现增益和变频的全带宽达到20 nm，如图3所示，虚线表示总损耗。数据表明，在考虑芯片上光传播损耗和光纤-芯片-光纤耦合损耗，实现了高达2 dB的净参数增益，氮化硅波导螺旋材料增益谱图如图4所示。

图3 实验系统输入输出功率示意图

图4 氮化硅波导螺旋材料增益谱图

总结与展望

研究人员首次实现了基于光子集成电路的连续净增益行波光参量放大器，该光放大器是在5 mm×5 mm硅芯片上集成新型的氮化硅波导，实验证明，其具有在连续波长净增益放大输入光信号的独特优点；同时，还可以通过成熟的制造技术量产该放大器，并将放大器与现代光子设备集成，如窄线宽激光探测器和微米梳。这种光参量放大器可直接由高功率半导体激光器泵浦，使其具有固有的单向、高增益、展带宽以及频谱连续的优点，有潜力成为未来实现长距离全带宽光纤通信的关键器件。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05329-1