撰稿|由课题组供稿
近日，东南大学的崔铁军院士、张婧婧教授课题组与南京航空航天大学罗宇教授课题组合作，提出了一种从非线性相干完美吸收至参量放大的动态调控方法，并在人工表面等离激元的平台上进行了验证。相关成果以“Dynamic switching from coherent perfect absorption to parametric amplification in a nonlinear spoof plasmonic waveguide”为题发表于Nature Communications (2024) 15:2824。传统的线性相干完美吸收方法是基于透射和反射光的干涉效应，因此需要器件的尺寸与材料的折射率满足特定的关系。本文提出的非线性方法通过引入差频信号提供额外的调控自由度，可适用于任意尺寸和材料的器件，仅通过改变输入的泵浦波与信号波间的相位关系即可实现对信号波输出功率的灵活调制。东南大学的博士研究生崔文怡为本文的第一作者，张婧婧教授、罗宇教授、崔铁军院士为共同通讯作者，香港城市大学的博士后高欣欣也参与了该工作。
相干吸收与放大有着非常广泛的应用，比如可以应用于传感、光探测、信号处理和无线通信中等。先前该领域的研究工作主要基于线性方法，通过反射波和透射波之间的相消干涉（反激光过程）来实现相干完美吸收（CPA），通过结合增益材料来实现对特定光学模式的相干放大，这种线性方法需要精确控制系统参数，包括器件的尺寸和增益/损耗。为了能够在同一器件上实现相干吸收与放大，需要将器件的材料从有耗材料调整为增益材料，因此想要以较大的调制深度实现从相干吸收到放大的切换十分具有挑战性。
图1|线性和非线性相干完美吸收原理。a线性相干完美吸收器的示意图。在第一和第二个界面反射的波之间的相消干涉导致吸收增强。b 线性系统的随介质厚度L和损耗正切变化的信号波增益/吸收。CPA只能在吸收材料的损耗正切与厚度为特定值时实现。c 非线性相干完美吸收器的示意图。通过控制输入的泵浦波与信号波之间的相位关系，可以将信号波与三波混频产生的差频波之间的干涉关系由相长干涉调节为相消干涉，从而实现参量放大和相干完美吸收。d非线性系统的随输入的泵浦和信号波间的相位差
和吸收材料的损耗正切变化的信号波增益/吸收。
为了应对这一挑战，该工作提出了一种非线性方法并设计了一种超薄非线性人工表面等离极化激元（SSPP）波导，该波导的色散关系满足：泵浦波频率是信号波频率两倍的同时，泵浦波的相位常数也是信号波的相位常数的两倍。当信号波与泵浦波一起通入所设计的非线性SSPP波导中，信号波会与泵浦波发生三波混频产生一个与信号波相干的差频波。连续调节输入的泵浦波与信号波间的相位差，能够使产生的差频波与信号波之间从发生相干相消连续变换至发生相干相长，从而连续调节信号波的输出幅度，实现对信号波的从相干完美吸收至参量放大的连续调控。所提出的非线性系统具有几个明显的优点：1）它对材料的损耗正切不敏感，并且可以在一定的器件尺寸范围内实现相干完美吸收/简并参量放大效应；2）输入波的相位可以很容易地通过移相器进行调节，使得对信号波输出功率的调制十分简便。该工作对所提出的非线性SSPP系统的损耗/增益特性进行了理论推导与实验验证，理论计算与实验测量证明，使用约21.52dBm的泵浦波，可以令信号波从获得约22dB的增益被连续调节至拥有约-33dB的衰减。
图2|非线性人工表面等离极化激元波导，用于对信号波从进行相干完美吸收到简并参量放大的动态切换。a 非线性SSPP波导示意图。b SSPP波导的单元结构。c 输出端口处的示意图。
图3 |计算和测量的非线性人工表面等离极化激元波导的信号波增益。a 信号波增益在不同输入波间相位差下随传输距离的变化曲线。b信号波增益在不同传输距离下随输入波间相位差的变化线。
该工作从理论和实验上证明了可以在同一非线性SSPP波导中实现对相同频率的信号波的相干完美吸收与简并参量放大。更重要的是，非线性SSPP波导通过简单地调整信号波与泵浦波之间的相对相位，即可将信号波从被完美吸收调制到被显著放大。所提出的方法有望应用于片上系统与无线通信中。
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47191-x
Dynamic switching from coherent perfect absorption to parametric amplification in a nonlinear spoof plasmonic waveguide | Nature Communications
