近日，华中科技大学光学与电子信息学院张新亮教授、徐竞教授团队联合电子科技大学信息与通信工程学院周恒教授提出并实验验证了一种基于多模光子学的光混频器。研究团队利用光学导模的正交性，借助模式复用技术，设计了仅支持基模谐振、高阶模式单次传输通过的谐振腔，利用基模谐振增强非线性效率的同时，还可确保高阶模式不受谐振滤波效应的限制。相关成果以“Integrated multimodal photonics for advanced optical parametric mixing”为题在线发表于《ACS Photonics》期刊上。
光学混频器利用非线性过程产生新频率的光束，在光通信、量子信息处理等领域具有关键作用，其核心性能需求包括高效率、宽转换带宽及波长透明性（即信号光与闲频光波长连续可调）。基于χ(3)非线性过程的四波混频因相位匹配条件宽松在光混频器研究中备受关注，但较低的效率限制了其进一步的应用。为了提升效率，低损耗超长波导和高品质因子微腔均得到了研究。然而，超长波导虽支持波长透明操作，却在相位匹配方面存在制约；高品质因子微腔可以实现高效混频，同时由于作用距离短，相位匹配条件宽松，谐振滤波效应的存在牺牲了波长透明性。因此，同时实现高效率、宽带和波长透明的光学参量混频仍存在挑战。
近年来，多模光子学的发展，为光学器件的设计打开了一个新的可用维度。研究团队通过模分复用技术，分离了不同空间模式的谐振条件，演示了基于模间布拉格散射四波混频过程的混频器。在该设计中，泵浦光始终占据基模TE0在微腔内谐振，从而提升非线性效率；信号和闲频光通过模式复用技术以高阶模式TE1仅单次通过谐振腔传输，不受谐振滤波的限制，原理如图1所示。此设计在提升非线性效率的同时支持波长透明，此外还继承了微腔短作用距离带来的相位匹配条件放宽的优势。实验结果表明，该设计在支持波长透明的前提下，相位匹配带宽达到了13nm（仿真预测带宽有望超越100nm），对比相同长度波导效率提升超过20dB。该芯片级混频器方案兼具高效率、宽带与波长透明特性，有望为经典及量子光信号处理开辟新路径。
图1. 谐振增强的模间布拉格散射四波混频器件原理示意图。(a) 器件的结构示意图；(b) 谐振增强的布拉格散射四波混频示意图。
研究团队借助模式正交性实现了泵浦和信号/闲频谐振条件的解耦，采用SOI薄膜制备了相应器件，对应的线性传输谱线表明，器件对于基模支持高品质因子的谐振，高阶模式类似于波导传输，不受谐振限制，对应的线性传输谱线如图2所示。
图2. 器件的线性透射光谱。(a) 不同端口间的透射光谱；(b) TE0模式谐振峰。
对于器件非线性方面的实验测试结果表明，当泵浦光和信号光均处于C波段内，器件支持13nm相位匹配带宽（图3(a)）。在C波段内，改变信号光波长，转换效率无显著波动，表明支持波长透明（图3(b)）。进一步与相同长度的波导对比，转换效率提升了25dB（图3(c)），目前器件的转换效率受到了硅材料在通信波段非线性吸收的影响。
图3. 器件的非线性测试结果。(a) 不同泵浦间隔下的转换效率；(b) 不同信号光波长下的转换效率；(c) 不同泵浦功率下的转换效率曲线。
从相位匹配条件分析，当基模和高阶模式的群折射率匹配时，能够实现宽带相位匹配。仿真表明，将泵浦光设置于O波段，信号光位于C波段，能够实现群折射率匹配，有望实现超越100nm范围的相位匹配，如图4所示。
图4. 带宽优化。(a) TE0和TE1模式对应的群折射率曲线；(b) 优化相位匹配后的转换效率曲线。
研究团队提出了一种基于多模光子学的先进光学参量混频器。通过结合高品质微腔与空间模式正交性，成功解决了效率与带宽的固有矛盾，实现了高效率、宽波段且波长透明的混频器。该设计有望为先进非线性信号处理、光谱学和量子技术提供新的思路。华中科技大学光学与电子信息学院博士生李行航为论文第一作者，电子科技大学周恒老师、华中科技大学的董文婵老师和徐竞老师为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家科技重大专项、湖北省自然科学基金（A类）以及武汉市自然科学基金的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c00702
撰稿|课题组
