90后海归博士破解单波导中光放大的量子限制，已回国着手创办公司( 二 ) 近日

尽管已有团队在高Q氮化硅微谐振器上已取得成功，但低损耗氮化硅的米级别长波导，仅在低约束下可以实现。但由于此类波导的非线性较弱，因此并不适用于光学参数放大器。
因此，在实现基于四波混频的、连续波泵浦参数放大的氮化硅中，必须实现具有高非线性和低传播损耗的长波导。
叶志超介绍称，波导损耗是影响光学参量放大器性能的关键因素，因为它同时影响放大增益和噪声系数。
如下图所示，这是基于四波混频的波导光学参量放大器的示意图，输入信号波在传播过程中被泵浦光放大，并沿着传播产生一个闲频波，泵浦波因波导的损耗被衰减。

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（来源：ScienceAdvances）
20个波导几乎个个“完美无缺”
此外，他还利用先进的减法工艺制备了具有高光学约束色散控制的氮化硅螺旋波导。下图展示了一个具有9个氮化硅波导的样式芯片的照片，它级联23个螺旋波导单元，可在23mm2的区域内构造一个1.42米长的波导。

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叶志超告诉DeepTech：“近年来，美国哥伦比亚大学和瑞士洛桑联邦理工学院的团队，陆续展示了超低损耗（~1dB/m）的氮化硅微环形谐振腔。但是，在米尺度的氮化硅波导中，实现超低损耗是对制作工艺的良率的巨大挑战。举例来说，如果0.1米长的波导的良率是90% ，那么1.4米长的波导的良率仅仅只有20% 。 ”
他在论文中写道，波导基模的损耗为1.4dB/m ，这也是迄今为止在高光学约束、米尺度氮化硅波导中最低的损耗，这要求每个螺旋波导几乎都得是完美无缺的。
他使用氮化硅波导，在相位不敏感和敏感模式下，分别进行了连续波泵浦参数放大实验。
在相位不敏感模式下，该连续波泵浦的参量放大器实现了6.4dB的增益，其噪声系数为3.3±0.4dB ，这也是首次在集成的三阶非线性平台上实现连续光泵浦下的参量放大。
对于相位敏感的参量放大，芯片上测量的放大系数在1556nm波长处为9.5dB ，其噪声系数仅为1.2±0.4dB ，该噪声系数显著小于光学放大器中的量子极限3dB 。
通过改变泵浦光的相位，该放大器的增益能形成周期性变化，最大增益和最小增益的消光比达到20dB ，是光学再生和压缩的重要因素，因此在量子光学中极具应用前景。
是芯片级非线性光信号处理和无额外噪声放大的里程碑
研究中所获得的增益和噪声系数，代表了芯片级非线性光信号处理和无额外噪声放大的一个里程碑。
概括来说，在该研究中，叶志超和其团队展示了单个芯片中基于三阶非线性的光学放大。此外，在进行相位敏感操作时，放大器的噪声系数显著低于传统量子极限。

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叶志超预计，通过进一步减少波导损耗、增加波导长度和减少模式串扰，可实现更高的光学参量放大器增益。
需要注意的是，光学参数放大器还可扩展到其他波长，因为氮化硅从可见光到中红外波长范围内是透明的。结合氮化硅的优点，连续波泵浦氮化硅的光学参量放大器，或在光通信、超快光谱、未来在量子光学和计量方面可能大有成就。
此前在超低损耗硅基光子学领域已经有所建树的刘骏秋博士，继续评论该成果称：“不同于传统的、仅在通讯波段工作的掺铒放大器，光参量放大器几乎适用于一切波段，且不引入额外噪声。同时，参量放大器具备非互易性，即在放大有效光信号的同时，不会放大反射光或者噪声光信号，从而能有效的保护激光源。这项工作成功实现了芯片集成的连续波泵浦光参量放大器，并论证了各项指标的优越性。 ”