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光学参量放大器（OPA）有望克服基于稀土掺杂和半导体增益的传统光学放大器在波长覆盖和噪声方面的限制。然而，高功率需求仍然是OPA广泛应用的主要障碍。集成型OPA理论上可以通过紧密的模式约束来提高泵浦效率；然而，由于传播损耗、有限的非线性效应以及对纳米尺度制造缺陷的敏感性，集成型OPA未能与传统的体积和光纤基OPA竞争。在此，我们展示了一种高效的集成型OPA，具有连续波净增益。泵浦效率提高了一个数量级以上。我们实现了23.5 dB的相位敏感增益，显著超过了先前的集成型OPA，使用的泵浦功率仅为110 mW，并且没有采用腔体增强。这是通过薄膜铌酸锂波导中的参量下转换实现的，采用适配的极化技术以保持非线性相互作用的相干性。此外，较高的参量增益超过了光纤-芯片-光纤损耗，导致可观的净增益，最高可达10 dB。3 dB带宽约为120 nm，覆盖了电信的S波段、C波段和L波段。通过测量输出场的波动低于经典极限，确认了量子限制噪声性能。我们进一步展示了在噪声光通信中，利用这种高效集成OPA可以提高信噪比。我们的工作标志着朝着理想光学放大器迈出了重要一步，具备强大的放大能力、高效率、量子限制噪声、大带宽和连续波操作，为下一代光子信息处理系统解锁了新的可能性。

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光学放大在现代通信和信息处理中具有至关重要的作用。光学放大器通常通过增益、噪声性能和带宽来评估。目前，主流的光学放大器技术依赖于稀土掺杂物中的电子跃迁和半导体。然而，它们的带宽受限于基础的电子能级，而噪声性能则受到自发辐射的根本限制。光学参量放大器（OPA）提供了一条有前景的途径，可以在同时实现高增益、大带宽、可调中心波长和低噪声的同时，达到最终的光学放大性能。高性能OPA已广泛展示，使用光纤中的克尔非线性效应和体积微加工铌酸锂中的泊克尔非线性效应，推动了光通信、超快信号处理和量子技术等领域的应用。

尽管OPA具有优越的性能指标和开创性的演示，但由于高泵浦功率需求，OPA的广泛部署仍受到严重限制。光子集成电路为器件小型化和降低功耗提供了有前景的路径。然而，在芯片上实现高性能OPA仍然具有挑战性。由于光子集成电路中的独特挑战，如高传播损耗、材料非线性效应的限制以及对纳米尺度变化的耐受性差，因此，集成型OPA在性能上与基于光纤或体积铌酸锂的传统OPA相比并未显示出明显优势。

图1. 基于适应性极化的TFLN波导集成OPA。
a，基于单程波导中的参量下转换的OPA示意图。在简并相位敏感情况下，泵浦波长是信号波长的一半。信号沿波导指数放大。
b，OPA增益的相位依赖性。当信号和泵浦之间的相位差为零（同相）时，增益最大；而当相位差为π/2（反相）时，增益最小。
c，14毫米长集成OPA的仿真增益谱。仿真得到的3 dB带宽约为140 nm，覆盖电信的S波段、C波段和L波段。
d，制造的TFLN波导的扫描电子显微镜（SEM）图像，宽度为2.2微米。绿色箭头指示铌酸锂的晶体方向。
e，沿TFLN波导测量的薄膜厚度（灰色）和设计的极化周期（橙色）。根据测量的薄膜厚度调整极化周期，以确保沿波导的完美相位匹配。
f，铌酸锂极化区的压电力显微镜（PFM）图像。
g，经过适应性极化的TFLN波导的二次谐波生成谱。该谱显示出接近理论的sinc平方形状，峰值非线性效率为4700 ± 500 %/W。

在此，我们解决了这一挑战，展示了一种集成型OPA，提供了高达10 dB的显著净增益，并且泵浦效率提高了一个数量级。这是在没有任何腔体增强的情况下实现的，确保了连续的宽带覆盖。我们的方法利用了低损耗的薄膜铌酸锂波导，这些波导提供了强烈的χ(2)非线性效应和紧密的光学约束（如图1a所示）。特别地，我们采用了最近开发的适应性极化技术，以缓解长期以来限制薄膜铌酸锂波导非线性效率的纳米尺度不均匀性。

其中，θ是泵浦光与信号光之间的相位，G₀ = exp(2p ηPp)是零相位下的增益，η是非线性效率，Pp是泵浦功率。OPA的相位敏感性决定了最大增益只能在信号的同相象限获得，而反相象限则会发生去放大（图1b）。TFLN波导的设计长度为14毫米，宽度为2.2微米，相位匹配条件被调整以实现接近1550 nm的信号放大，同时泵浦光位于约775 nm处。由于色散较小，我们预期集成型OPA可以覆盖电信的S波段、C波段和L波段（图1c，参见方法）。由于非线性效率与器件长度平方成正比（η ∝ L²），因此，随着长度的增加，增益呈指数增长（图1a）。然而，薄膜铌酸锂固有的纳米尺度厚度变化限制了χ(2)非线性过程的相干相互作用长度至几毫米[31-37]。采用传统的周期性极化时，由于局部几何变化，沿TFLN波导的χ(2)过程会获得随机相位，这会阻止信号的建设性积累并降低非线性效率。因此，我们根据局部厚度变化调整极化周期，以恢复理想的相位匹配条件（图1d-f）。通过第二谐波生成谱来验证理想相位匹配条件的恢复，谱与理论的sinc平方函数相匹配，非线性效率为4700 ± 500 %/W（图1f，补充材料1部分）。

图2. 集成OPA的性能表征。
a，集成OPA表征的实验设置。上面和下面的面板分别显示了直接功率测量和同频检测。
SHG：商业二次谐波生成模块；FS：光纤拉伸器；PD：光电探测器。
b，测量的OPA增益与相位扫描，泵浦功率为110 mW。没有泵浦光的输出信号功率作为参考（0 dB）。红色虚线（13.5 dB）表示光纤-芯片-光纤传输损耗。
c，测量的集成OPA增益与泵浦功率的关系。
d，测量的集成OPA的自发辐射谱，泵浦功率为110 mW，显示出超过120 nm的3 dB带宽。
e，泵浦光扫描下输出场象限的时域同频测量。红色（绿色）线标记了压缩（反压缩）条件。采样率为2 GS/s。
f，时域同频测量的统计分布，时间窗口为10 µs（20,000个样本），包含散粒噪声（阻塞泵浦光）、压缩（图e中的红线）和反压缩（图e中的绿线）。分布通过高斯函数拟合以提取方差（参见方法）。
g，测量的压缩和反压缩水平与泵浦功率的关系。在c和g中，泵浦功率的不确定性由芯片上不同器件的耦合效率的测量方差确定。c中的增益值和g中的噪声水平的不确定性由拟合参数的标准偏差评估。

采用两种方法来表征集成型OPA的性能，包括直接功率检测和同频检测场幅度（图2a）。在直接功率测量中，1550 nm附近的信号光和775 nm附近的泵浦光被一起耦合到集成型OPA中。信号光与泵浦光之间的相位通过光纤拉伸器扫描，因此信号光的输出功率在放大和去放大之间振荡（图2b）。关闭泵浦光时的信号光输出功率作为参考，用于计算芯片上的增益。在泵浦功率为110 mW时，我们测得的相位敏感增益为23.5 dB，显著超过了先前的集成型OPA（图2b和c，参见方法）[24-29]。这对应于一个高达15.3 dB/(W·mm)的泵浦效率。这比以前的集成型和体积型OPA高一个数量级（补充材料3部分）。我们进一步测量信号光的输入功率（图2b中的红色虚线），其比参考输出功率高13.5 dB。这表明我们的集成型OPA可以实现超过10 dB的净增益。测得的增益与泵浦功率的依赖关系遵循方程1。我们进一步测量了一个非线性效率较低的第二个器件（补充材料1部分）。在该器件中，增益超过15 dB，且同样实现了净增益（图2c）。3 dB增益带宽约为120 nm，覆盖从1470 nm到1590 nm的范围（图2d），显著超过了传统掺铒光纤放大器的带宽。

为了在量子领域测试集成型OPA，我们用同频检测替代了直接功率测量（图2a）。本地振荡器的相位通过光纤拉伸器扫描，以测量沿不同象限的输出信号光。示波器用于采样同频检测输出并提取象限方差。我们观察到象限方差的明显周期性增加和减少，分别对应经典散粒噪声的压缩和反压缩（图2e）。散粒噪声通过阻塞泵浦光进行标定，压缩和反压缩水平可以通过输出信号的场方差与散粒噪声参考之间的比值获得（图2f）（参见方法）。如图2g所示，压缩和反压缩水平随着泵浦功率的增加而增加，并且在泵浦功率为110 mW时，测得的最大压缩水平为低于经典散粒噪声限制的0.8 dB。

图3. EDFA与集成OPA在信噪比提升中的比较
a，实验示意图。1549.6 nm的单频激光与来自无种子EDFA生成的宽带噪声混合。经过EDFA或OPA放大后，输出光被光谱分析仪（OSA）检测。
b，EDFA和OPA放大的相位图。放大前后的信号分别用橙色圆圈标记，灰色区域表示噪声。EDFA均匀地放大所有相位的信号和噪声，而OPA选择性地放大同相信号和噪声，并去放大反相噪声。
c、d，13 dB EDFA放大前后的光谱。
e，EDFA放大后信噪比（SNR）随增益的变化。信噪比的变化几乎不依赖于增益，平均值为-0.15 dB。
f、g，13 dB OPA放大前后的光谱。
h，OPA放大后信噪比（SNR）随增益的变化。信噪比随着OPA增益的增加而增加，接近6 dB。在e和h中测试了放大前的不同光学信噪比值，包括0 dB（蓝色）、5 dB（橙色）、8 dB（绿色）和12 dB（红色）。e和h中的不确定性通过计算重复测量的方差获得。

为了进一步展示集成型OPA的能力，我们将其性能与噪声光学系统中的EDFA进行比较。光学输入信号与非相干噪声混合，并通过集成型OPA或EDFA进行放大。输出信号通过光谱分析仪进行分析（图3a）。EDFA均匀地放大信号和噪声。相比之下，集成型OPA仅选择放大与泵浦光同相且符合相位匹配偏振的光（图3b）。为了比较EDFA和集成型OPA的性能，我们测量了放大前后的信噪比（SNR）。在这两种情况下，输入信号和噪声功率设置相等（图3c和f）。由于EDFA均匀地放大信号和噪声，EDFA放大后的SNR没有变化，并且几乎不依赖于EDFA增益（图3d和e）。另一方面，OPA放大后观察到显著的SNR改善（图3g）。此外，随着OPA增益的增加，SNR改善接近6 dB（图3h），符合关系（补充材料2部分）。

接下来，我们通过基于方波开关调制（on-off keying）的强度电光调制器将伪二进制数据编码到输入光信号中（图4a）。

图4. 使用集成OPA改善光通信
a，实验示意图。通过强度电光调制器（EOM）生成开关键控信号。信号与来自无种子EDFA生成的宽带噪声混合后，光学信号通过EDFA或OPA进行放大。光学信号通过快速光电二极管和示波器进行检测。
b，混合噪声前后的时域光学信号测量（蓝色），混合噪声和放大前（红色），混合噪声和EDFA放大后（绿色），混合噪声和OPA放大后（紫色）。
c，未放大的光电二极管信号的归一化光谱（红色）、EDFA放大后的光谱（绿色）和OPA放大后的光谱（紫色）。EDFA和OPA的增益均为14 dB。光谱通过快速傅里叶变换从时域信号计算得出，光谱归一化到零频率的功率。阴影区域表示噪声主导的区域，因调制谱消失。
d，分别使用EDFA和OPA放大后的光电探测器输出的比特0和比特1的统计分布。分布通过高斯分布进行拟合（参见方法）。比特0和比特1分布的重叠程度与误码率成正比。
e，不同EDFA和OPA增益值下的误码率。
f，经过EDFA和OPA放大后（14 dB增益）接收光学信号的眼图。

没有调制时，输入光信噪比保持在12 dB，调制频率为fm=50 MHz。我们可以清楚地观察到，在OPA放大下数据质量在时域的改善，而在EDFA放大下没有这种改善（图4b）。这一点通过对时域数据进行傅里叶变换，在频域中进一步量化（图4c）。总的电子谱由理想方波调制谱S(f) = sinc²(πf / fm)和来自输入光噪声的常数背景组成（补充材料2部分）。在频率f = fm处，调制谱消失，S(fm) = 0，且总谱被噪声背景主导（图4c中的阴影区域）。在大约14 dB的类似信号增益下，OPA放大的噪声背景比EDFA放大低5.6 dB（图4c）。噪声抑制的优势可以通过误码率（BER）进一步验证（参见方法）。解调后的比特0和比特1的统计分布如图4d所示。与OPA相比，EDFA的比特0和比特1分布的重叠明显更大。使用EDFA时，BER从0.1%改善到0.04%（14 dB增益时）（图4e）。在14 dB OPA增益下，BER显著改善，降低了两个数量级，从0.1%降至0.0008%。这也通过OPA放大的较宽眼图得到了支持，眼图清晰地区分了比特0和比特1的轨迹（图4f）。

总之，我们展示了一种基于单程TFLN波导的高效集成型OPA。通过采用适应性极化技术来缓解纳米尺度的不均匀性，我们实现了低至110 mW泵浦功率下的23.5 dB芯片增益。演示了超过10 dB的净增益，并且3 dB带宽达到120 nm。通过优化边缘耦合器设计，将插入损耗降低至1 dB以下[38]，预计净增益将进一步提高，超过20 dB。我们进一步通过观察低于经典散粒噪声限制的场波动验证了集成型OPA在量子领域的运行能力。这一能力对于在量子技术中部署集成型OPA至关重要，包括量子计量和容错光子量子计算[39, 40]。

我们进一步展示了这种高效集成型OPA波导在提高光信号噪声比和降低噪声光通信系统中的误码率方面的实际潜力。结合其宽广的放大带宽，这些集成型OPA可以显著提高光通信链路的容量。我们的集成型OPA在所有关键光放大器指标上展示了最先进的性能，包括高净增益、卓越的功率效率、宽带宽、量子领域噪声特性和紧凑的占地面积。值得注意的是，这一水平的性能是通过最简单的器件架构——单程直波导实现的。通过避免复杂的光子结构和基于腔体的增强，集成型OPA在实际部署中展现了卓越的鲁棒性和可靠性。

方法

器件制造

使用600纳米厚的X切薄膜铌酸锂晶片来制造OPA器件。传播方向与铌酸锂的Y轴对齐。首先，我们通过宽带光学反射测量设计波导位置的器件层厚度。接下来，采用电子束光刻和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光刻胶，通过剥离工艺在铌酸锂表面图案化镍电极，用于极化。然后，向镍电极施加电脉冲，以反转铌酸锂的域方向。在通过氯化氢去除镍电极后，使用电子束光刻在极化区定义光子波导，采用ma-N光刻胶。接着，使用基于氩气的等离子体将波导图案转移到铌酸锂器件层，蚀刻深度为350纳米。然后，将器件在氮气中退火，以降低传播损耗。最后，光子集成芯片被切割，以暴露波导面。

增益带宽仿真

带宽通过色散仿真计算。我们考虑一个TFLN肋形波导，波导顶部宽度为2.2微米，总厚度为600纳米，蚀刻深度为350纳米。相位匹配条件，因此增益，和...

其中，βp(ωp)、βs(ω) 和 βi(ωp − ω) 分别是泵浦光、信号光和闲置光的传播常数，Λ是中心频率（ω = ωp/2）处的极化周期，L = 14毫米是波导长度。泵浦的角频率ωp是固定的，而信号的角频率ω则被扫描。当由于色散导致G₀下降3 dB时，定义了带宽。

OPA增益测量

在直接功率测量中，芯片上的增益可以计算为

其中，Pon 和 Poff 分别是泵浦开启和关闭时测量的输出信号功率，Pbg 是泵浦生成的自发参量下转换噪声背景，在没有信号输入时产生的。

为了获得包括光纤-芯片-光纤耦合和传播损耗在内的净增益，我们还测量了集成型OPA器件在接近1550 nm的信号波长下的传输。信号波长下的总光纤-芯片-光纤损耗测量为13.5 dB。

为了估算芯片上的泵浦功率，我们测量了集成型OPA器件在接近775 nm的泵浦波长下的传输。泵浦波长下的总光纤-芯片-光纤传输测量为Tp = 0.036。因此，芯片上的泵浦功率可以估算为：
Pp = Tp · Poff−chip。

压缩水平估算

同频光电探测器的输出电压通过示波器以2 GS/s的采样率连续捕获。10 µs时间窗口内（20,000个样本）的输出电压分布通过高斯函数 A · exp[−V²/2σ²] 来拟合，其中 A 是归一化因子，V 是输出电压，σ² 是方差。首先，通过阻断泵浦光和输入信号光进行此操作，得到散粒噪声方差 σ₀²。开启泵浦后，方差会发生振荡。最小和最大方差被假定为压缩和反压缩。压缩水平通过压缩方差与散粒噪声方差的比值 σ_sqz² / σ₀² 来获得。

误码率计算

通信演示中的误码率（BER）是通过比特0和比特1的接收功率水平的统计分布来计算的。接收功率水平的分布使用高斯分布函数进行拟合。