摘要——光放大对于光信号传输至关重要。虽然掺铒光纤放大器的出现彻底改变了光纤系统中的光通信，但集成光学仍需要片上放大。由于纳米级波导将非线性增强数个数量级，它们是光学参量放大的有前景候选者。使用1550 nm脉冲泵浦，在绝缘体上AlGaAs纳米波导中研究了基于四波混频的宽带光学参量放大。强非线性实现了高达58.4 dB的开-关增益。同时，低传播损耗导致56.2 dB的净片上增益。结合进一步的色散工程，净片上增益带宽扩展到超过415 nm，这是先前报道的电信波段集成光学泵浦的2.3倍。所展示的结果代表了片上参量放大器报道的最大参量增益和带宽。关键词：非线性光学，四波混频，参量放大器，集成光学468寸PLZTOI薄膜晶圆--180pm/V电光系数高SOI晶圆：--220nm薄膜/ 3um厚膜-3umSIO2-675um，1万欧双高阻做探测器和量子器件GEOI晶圆--做探测器和中远红外波导，SMARTCUT工艺InGaPOI晶圆：2阶和3阶非线性器件--mbeALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺--紫外波导器件
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光放大通常用于集成光子学中的通信、超快光谱学和传感[1]。历史上，基于III-V增益介质中受激发射的半导体光放大器（SOAs）作为首批集成兼容放大器出现，提供紧凑的电驱动增益[2,3]。然而，它们存在高放大自发辐射（ASE）噪声系数和载流子诱导饱和[3]。掺铒波导放大器（EDWAs）提供低噪声增益和稳定工作，但其增益带宽本质上受限于分立能级[4,5]。基于非线性散射的机制，包括受激拉曼[6]和布里渊[7]放大，也已在片上探索；然而，它们的增益带宽本质上很窄，受限于宿主材料的声子共振线宽。相比之下，基于四波混频（FWM）的光学参量放大（OPA）提供了一个引人注目的替代方案：其增益带宽由相位匹配条件而非固定的材料跃迁决定，允许通过色散工程灵活定制的宽带放大，同时其噪声性能在相位敏感区域可接近基本量子极限。早期研究通常是在光纤中进行的[8-12]，展示了70 dB的开-关增益[9]和200 nm的净开-关增益带宽[8]。随后，纳米级波导出现，光学非线性增强了几个数量级，实现了集成芯片级放大器。光学参量放大已在各种平台中展示，如硅（Si）[13-17]、非晶硅（a-Si）[18]、氮化硅（Si₃N₄）[19,20]、超富硅氮化物（Si₇N₃）[21-23]和硫系化合物（ChG）[24]。虽然通过在中红外泵浦在硅波导中实现了高达42.3 dB的大净片上增益[16]，但由于双光子吸收（TPA）引起的强非线性损耗，电信波段信号的增益被限制在1.8 dB[14]。通过修改材料性质以增强非线性，在1535 nm泵浦的非晶硅中获得了21.2 dB的净片上增益[18]。此外，不受TPA影响，超富硅氮化物中电信波段的开-关增益已提高到42.5 dB[23]。在硫系玻璃中也展示了32.5 dB的净片上增益[24]。除了上述使用脉冲泵浦的演示外，在1.4 m长的氮化硅波导中通过1563 nm连续波（CW）激光泵浦获得了6.4 dB的开-关增益[20]。进一步进展包括磷化镓-on-二氧化硅平台中的25 dB净增益[25]和氮化硅平台中的宽带放大[26]。由于FWM效率与相位匹配、非线性强度和损耗相关，具有强非线性的砷化铝镓（AlGaAs）[27]作为进一步改善光学参量增益的有前景候选者出现[28]。与上述材料相比，AlGaAs具有10⁻¹⁷ m²/W的高非线性折射率，比氮化硅大两个数量级[29]。重要的是，其材料带隙可以工程化以抑制电信区域的TPA[30]。结合3.3的线性折射率，绝缘体上AlGaAs（AlGaAsOI）平台[31]实现了强光限制和大有效非线性系数，高达720 W⁻¹m⁻¹[32]。这种大非线性，加上高折射率对比度，有利于高效参量过程和宽带工作的灵活色散工程[33,34]。包括孤子梳产生[35-37]、超连续谱产生[38,39]、二次谐波产生[40]和参量下转换[41]在内的广泛非线性过程已在AlGaAsOI中展示，突显了其作为非线性平台的多功能性。这些特性使AlGaAsOI成为宽带光学参量放大的有吸引力的候选者，而这尚未被探索。
图1. 用于光学参量放大的非线性光子芯片。(a) 基于FWM的参量放大示意图。(b) 基于FWM的参量放大实验装置。EDFA：掺铒光纤放大器；WSS：波长选择开关；PC：偏振控制器；VOA：可变光衰减器；OSA：光谱分析仪。(c) AlGaAsOI纳米波导的SEM图像。顶部的薄脊包层对应于刻蚀过程后残留的氢硅倍半氧烷（HSQ）抗蚀剂，原本用作硬掩模。(d) 不同截面波导的色散。在本工作中，我们利用AlGaAsOI波导探索基于FWM的光学参量放大，使用电信波段的皮秒脉冲泵浦。受益于高非线性和低损耗，我们分别展示了高达56.9 dB和58.4 dB的信号和闲频开-关参量增益。此外，由于低传播损耗，信号和闲频的净片上增益分别高达54.7 dB和56.2 dB。通过进一步的色散工程，净片上增益带宽超过415 nm。这些结果代表了迄今为止集成光学中在电信波段泵浦所获得的最大增益和放大带宽。基于FWM的光学参量放大示意图如图1a所示。泵浦和信号被注入非线性波导。在FWM过程中，频率为ω_p的两个泵浦光子分别转换为频率为ω_s和ω_i的信号和闲频光子，能量守恒要求2ω_p = ω_s + ω_i。随着泵浦光子的湮灭，信号被放大，闲频被产生。参量增益由FWM效率决定，该效率与由色散和非线性效应引起的相位失配相关[42]：这里，γ是波导的有效非线性系数，P_p是泵浦峰值功率，∆k_L = 2k_p - k_s - k_i是线性相位失配，其中k_p、k_s和k_i分别对应于泵浦、信号和闲频的波矢。仅考虑群速度色散（GVD）β₂并忽略高阶色散，线性相位失配可简化为∆k_L ≈ -β₂∆ω²，其中∆ω = ω_p - ω_s是泵浦与信号之间的频率差。在这些参数的指导下，FWM增益系数g由下式给出：其中 P_in_s 和 P_out_s 分别是信号的输入和输出功率，L是波导长度，最后一个等式来自sinh(x)的泰勒展开。在相位匹配点（∆k=0），获得峰值增益，可近似为 exp(2γP_pL)/4[1]。因此，大非线性、高泵浦功率和长相互作用长度是获得高参量增益所期望的。另一方面，为实现相位匹配，需要反常色散（β₂<0）以补偿正非线性相位失配2γP_p。随着GVD绝对值增大，相位失配在频率远离相位匹配点时急剧增加，导致参量增益快速下降。因此，小绝对GVD是宽带放大的优选，因为它可以在宽光谱范围内限制相位失配。此外，在非理想相位匹配条件下，较长的相互作用长度L放大了相位失配的影响，导致更急剧的光谱滚降，从而降低了放大带宽内的增益平坦度（见支持信息）。因此，强非线性和近零反常色散是大增益带宽所期望的。实验装置如图1b所示。脉冲泵浦和CW信号通过50:50耦合器合并，然后通过透镜光纤注入AlGaAsOI波导。泵浦来自中心为1550 nm、重复频率为90 MHz的飞秒源。它被整形为带宽4.8 nm的高斯光谱，并使用波长选择开关（WSS）补偿色散，产生1 ps的脉冲持续时间。信号由覆盖1480-1630 nm范围的CW可调谐激光器提供。偏振控制器（PCs）用于使泵浦和信号共偏振，以高效激发基TE模式。输出随后被导向光谱分析仪（OSA）进行光谱测量。为研究AlGaAsOI平台中的光学参量放大，我们使用了在绝缘体上制备的11 mm长波导，宽度为500 nm，高度为300 nm，二氧化硅包层厚度为3 µm。AlGaAs层具有21%的铝组分，对应带隙约1.72 eV。制备工艺详见参考文献[43,44]，刻蚀波导的扫描电子显微镜（SEM）图像如图1c所示。由于AlGaAs与二氧化硅之间的大折射率对比度，光在波导中得到良好限制，色散可以有效调谐。基于有限元模拟，图1d中的红色曲线显示了截面为500×300 nm（器件1）的波导中基TE模式的GVD分布。反常色散覆盖1450–1650 nm，包括泵浦波长（1550 nm）。在泵浦波长处GVD β₂为−561.5 ps²/km。图1d中还显示了截面为630×290 nm（器件2）的波导的模拟GVD分布（蓝色曲线）。在更大的宽度和更小的高度下，1550 nm处的绝对GVD值降至−27.2 ps²/km。色散对净片上增益带宽的影响将在后面讨论；这里我们从表征500×300 nm波导开始。在该波长范围内，使用截断法测得低传播损耗为2 dB/cm。图2. 光学参量放大的光谱和净片上增益。(a) 信号开和关时的光谱，以及输入泵浦光谱。(b) 净片上信号参量增益（红色圆圈）和闲频转换增益（蓝色三角形）。首先，为研究宽带光学参量放大，信号波长从1480 nm调谐到1520 nm（步长1 nm）。在此过程中，波导输入处的峰值泵浦功率和信号功率分别固定在28.8 W和5.5 µW。选择峰值泵浦功率使得系统工作在小信号（非耗尽泵浦）区域，其中泵浦耗尽可忽略不计。这沿波导保持了相位匹配，维持了增益谱，并确保了对可靠提取的线性和可预测增益响应[1]，同时也在通信和信号处理应用中支持高信号保真度[45]。通过FWM过程，能量从高功率泵浦转移到信号和闲频，导致信号放大和闲频产生。闲频波长由能量守恒决定。随着信号从1480 nm调谐到1520 nm，闲频波长从1627 nm变化到1581 nm。信号开和关时的光谱记录在图2a中。与输入光谱相比，输出光谱被AlGaAsOI波导中的强Kerr非线性展宽，其中高峰值功率泵浦脉冲诱导显著的自身相位调制。此外，观察到由噪声诱导的自发调制不稳定性产生的连续噪声背景，反映了反常色散下真空涨落的放大，并作为强片上参量增益的定性指标，与图2b一致。由于泵浦的脉冲性质，产生的信号和闲频也是脉冲的，其FWHM与泵浦相似。根据参考文献[17]中的分析方法，图2a中的光谱用于提取净片上信号参量增益（红色圆圈）和闲频转换增益（蓝色三角形），如图2b所示。这里，净片上增益定义为波导输出端脉冲信号/闲频的峰值功率与波导输入端耦合CW信号功率之比。在该调谐范围内，AlGaAsOI波导表现出优异的光学参量放大性能，净片上信号参量增益为40.7 dB，闲频转换增益为41.8 dB。此外，净片上增益远大于芯片到光纤耦合损耗（约2.3 dB），对应信号和闲频在1480–1520 nm范围内的净离片增益均超过31 dB。图3. 光学参量放大的性能特征。(a) 信号和闲频脉冲的输出峰值功率与输入信号功率的关系。(b) 净片上参量和转换增益与输入泵浦脉冲峰值功率的关系。接下来，研究光学参量放大的性能特征。通过将输入信号波长固定在增益峰值（1496 nm），并在泵浦峰值功率为22.9 W时调谐信号功率，信号（红色圆圈）和闲频（蓝色三角形）的输出峰值功率绘制在图3a中。光学参量放大在16 dB动态范围内是线性的，如虚线线性拟合所示。在这些条件下，信号和闲频对应的净片上增益分别为34.8 dB和34.5 dB。另一方面，通过调谐泵浦功率，我们扫描输入信号波长以提取每个泵浦功率下的增益峰值，如图3b所示。值得注意的是，选择输入信号功率以抑制级联FWM边带的产生。净片上增益随泵浦功率显著增加，信号和闲频分别达到54.7 dB和56.2 dB的最大值，这是先前在11 mm超富硅氮化物波导中报道的24.5倍[23]。与先前报道相比，我们器件中较小的光纤到芯片损耗导致更大的片上泵浦功率。结合更大的有效非线性系数，可以获得如此强的参量增益。如图3b中与虚线的交点所示，片上增益阈值为0.9 W。虽然在最大输入泵浦功率下片上增益略有饱和，但在泵浦峰值功率低于28 W时它大致保持线性，其中信号和闲频增益均超过50 dB。饱和是由非线性损耗引起的，这可能由表面态导致[46,47]。此外，受益于小的耦合损耗（约2.3 dB），离片信号参量增益和闲频转换增益分别高达52.4 dB和53.9 dB，是先前最佳结果的141倍[23]。图4. 截面为630×290 nm的波导中的光学参量放大。最后，在不同色散条件下研究了光学参量放大。这里，我们使用截面为630×290 nm的波导（器件2），其GVD在泵浦波长（1550 nm）处小至−27.2 ps²/km。为研究宽带参量放大，信号波长的调谐范围覆盖1370–1455 nm以及1480–1520 nm。泵浦峰值功率固定在16.6 W，信号功率保持在0.2 mW以下。理论上，随着反常色散绝对值减小，增益峰值远离泵浦移动，增益带宽增加，如图4所示。这里，红色三角形和蓝色圆圈分别表示信号和闲频的净片上增益。值得注意的是，净片上增益在整个调谐范围（从1370 nm到1785 nm约415 nm）内大于15 dB。受限于我们实验室可用CW激光器的调谐范围，完整的净片上增益带宽无法实验测量，预计超过415 nm。如表1所示，净片上增益带宽是硫系化合物平台先前结果的2.3倍[24]。此外，增益分布在1680 nm附近略有偏差，这可能由与拉曼峰的干涉引起[16]。值得注意的是，与器件1相比，这里观察到的峰值增益较低是由于泵浦峰值功率降低。为实现宽带测量，使用了更高的CW信号功率以在扩展调谐范围（1370–1455 nm）内保持足够的信噪比。进一步增加泵浦功率会诱导级联四波混频边带和光谱畸变，损害准确的增益提取；因此，泵浦功率被限制，导致增益降低，因为它与泵浦峰值功率成比例。相比之下，放大带宽由色散工程决定。在相同泵浦峰值功率下两种器件的直接增益带宽比较（见支持信息）进一步确认了色散是增益带宽的控制参数。为进行比较，我们在表1中列出了在电信波段泵浦的代表性集成光学参量放大器的参数。值得注意的是，这些光学参量放大器均基于纳米级波导，非线性介质仅为波导芯层。一般而言，净片上增益和带宽是评估光学参量放大器性能的关键参数。这里，净片上增益包括波导传播损耗的影响，带宽表示净片上增益为正的透明窗口。图5. 电信波段泵浦的集成光学参量放大器的净片上增益带宽。红线：泵浦波长；蓝色区域：报道的净片上增益为正的光谱范围。E、S、C、L和U波段均为WDM通道。虽然光纤中可以实现大的开-关增益（70 dB[9]）和带宽（26.19 THz[8]），但米级系统占据了相当大的空间。受益于纳米级制造的进步，集成波导显著减小了占地面积。此外，由于更小的模式面积，有效非线性系数提高了数个数量级。由于纳米级波导的高非线性，毫米长的AlGaAsOI波导获得了高达58.4 dB的开-关增益，与光纤系统相当。通过优化的传播损耗，还展示了56.2 dB的净片上增益。在这些集成平台中，Si₇N₃具有大的非线性折射率；然而，大的光纤到芯片耦合损耗（7∼10.5 dB）限制了片上泵浦功率。同时，严重的传播损耗（4.5∼24 dB/cm）降低了净片上增益[22,23]。通过在Si₃N₄平台上将传播损耗优化到1.4 dB/m并将波导长度显著增加到1.4 m，参量增益得到充分增强，使用CW泵浦展示了净片上增益[20]。通过使用更短的波导，带宽进一步增加到32.7 THz，代价仅为1 dB的净片上增益[26]。在GaP平台中也实现了更宽的带宽，具有更高的非线性，通过将波导长度减少到55.5 mm[25]。此外，强GVD限制了放大带宽。AlGaAsOI的大折射率对比度有利于色散工程，实现了泵浦波长处的小绝对GVD。通过仔细的色散工程，GVD在1550 nm处降至−27.2 ps²/km。图5显示了表1中参量放大器的净片上增益带宽，其中红线表示泵浦波长，蓝色区域表示报道的净片上增益为正的光谱范围。显然，AlGaAsOI平台实现了最大的净片上增益带宽，超过415 nm。它覆盖1370–1785 nm，涵盖了波分复用（WDM）系统中使用的整个E、S、C、L和U波段。然而，AlGaAsOI中的高功率工作可能受到表面态诱导非线性损耗的约束[47]，这限制了有效的增益缩放，并强调了这种高限制波导表面钝化的重要性[48]。为进一步扩展带宽，可以采用锥形波导逐渐改变截面，从而连续修改局域色散分布。这使相位匹配条件和参量增益峰值沿传播方向移动，使得不同光谱分量在不同位置被放大。因此，总体放大带宽被展宽，尽管由于在整个长度上单个频率处缺乏最佳相位匹配，峰值增益降低，如光纤系统中所示[49-51]。此外，可以引入高阶色散来增加和平坦化放大带宽[33,52]，也可以通过离散相位匹配诱导额外的增益峰值[15,16]。为进一步增强参量增益，还可以采用谐振设计，如微谐振器[53]和光子晶体波导[22,54]。在具有高非线性和低损耗的AlGaAsOI波导中研究了光学参量放大。使用皮秒脉冲源结合可调谐CW信号，展示了高达56.9 dB和58.4 dB的开-关信号参量增益和闲频转换增益。此外，受益于器件的低传播损耗，信号和闲频的净片上增益分别高达54.7 dB和56.2 dB。色散工程将净片上增益带宽增加到超过415 nm。据我们所知，这些结果代表了迄今为止电信区域中的最大增益和带宽，验证了AlGaAsOI平台在光放大方面的卓越性能。这项工作为参量放大器的未来设计和定制提供了有价值的指导。此外，它为电信系统内的非线性光学处理应用提供了一个多功能平台，在这些应用中需要在宽带宽上获得大增益。文章名：Broadband parametric amplification in AlGaAs-on- insulator nanowaveguides作者：Yanjing Zhao Chanju Kim Yi Zheng Chaochao Ye Yueguang Zhou Kresten Yvind Minhao Pu单位：National Information Optoelectronics Innovation Center, Wuhan 430074, China
