华科张新亮徐竞等LPR：基于泵浦回收的高效且透明的波长转换器

近期研究表明，利用干涉特性能够同时实现光波间线性解耦但非线性耦合。受此启发，研究团队利用线性解耦的MZI，即两臂相位差仅差半个波长，分离了参与四波混频过程光波的物理路径，借助谐振腔设计，实现了仅针对泵浦光的回收利用，原理如图1所示。设计核心在于选择性循环利用泵浦光以增强非线性，同时让输入的信号光和产生的闲频光仅单次通过MZI。最终，在利用谐振回收泵浦光提升非线性效率的同时，规避因谐振带来的器件速率的限制，实现了波长透明。通过简并四波混频实验验证，相比等长波导器件，非线性效率提升了14 dB，转换带宽超过了110 nm。成功实现对于远超谐振线宽的20Gbit/s速率的信号波长转换。

图1 干涉型泵浦回收波长转换器原理图。(a) 基于线性解耦MZI的高效且透明的波长转换器的示意图。(b) 泵浦光、信号光和闲频光的场分布示意图。(c) 基于简并四波混频的波长转换操作示意图。

研究团队利用光的干涉特性实现了泵浦和信号/闲频的分离，采用SOI薄膜制备了相应器件，通过调整施加在相移电极上的电压，MZI能够处于线性解耦状态。对应的线性传输谱线如图2所示，从总线波导输入的光能够激发谐振模式，直接输入至MZI裸漏臂的光，传输特性类似波导，无法激发谐振。

图2 器件的线性传输谱。(a)不同端口之间的线性传输谱。(b) 典型的谐振峰及洛伦兹拟合。

研究团队为了验证器件支持波长透明，精细调整了信号光波长，令其分别对齐谐振波长或偏离谐振波长，分别记录了器件的输出光谱。根据器件的非线性特性(图3 (a) )，可以根据端口2有无闲频2的产生作为信号光是否对齐谐振的判断依据(图3 (b) )。实验结果表明，信号光是否对齐谐振不会对转换效率产生影响，如图3 (c) 所示，表明器件支持波长透明。

图3 波长透明性验证。(a) 器件内非线性过程示意图。(b) 端口2的输出光谱。(c) 端口4的输出光谱。

研究团队进一步表征了器件的四波混频性能，固定泵浦光波长，保持其在微腔内谐振，改变信号光波长，实验测试表明器件支持超过110nm的转换带宽 (图4 (a))。同时，对比相同长度的波导，器件的转换效率提升了14dB (图4 (b))，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4 四波混频性能表征。(a) 不同信号光波长时的转换效率。(b) 不同泵浦功率时的转换效率。

为了验证器件的实际性能，研究团队演示了对于高速光数据流的波长转换。在演示中，实现了对于20Gbit/s非归零开关键控信号的波长转换，相应转化光谱、误码曲线和眼图如图5所示。器件谐振线宽仅2GHz，成功实现了对于远超谐振线宽信号的波长转化，进一步表明此设计打破了谐振型器件的速率限制。

图5 对于20Gbit/s NRZ OOK数据流的波长转换。(a) 四波混频输出频谱。(b)误码率曲线以及对应眼图。