导读

南京大学谢臻达、贾琨鹏、田晓慧团队与中国电子科技集团公司第五十五研究所、南京南智先进光电集成技术研究院（南智光电）开展合作，在光电集成芯片领域取得重大突破，成功研制出首个薄膜铌酸锂（TFLN）连续光参量放大器，在电信波段实现高增益信号放大，为构建全集成光电融合芯片提供了关键功能器件支撑。

研究成果以“High-gain optical parametric amplification with a continuous-wave pump using a domain-engineered thin-film lithium niobate waveguide”为题，作为封面文章于2025年8月6日发表于光子学旗舰刊物《Optica》上。祝世宁院士在该研究工作中给予了关键指导。

研究背景

光电集成芯片对高速通信网络、高性能计算、传感与测量等领域具有至关重要的意义。TFLN因其低损耗、优异的电光与非线性特性等被视为综合性能最优的光电集成平台之一，尤其在高速电光调制器等功能单元方面已取得显著进展。连续光参量放大能为光电集成芯片实现大容量信息传输提供核心功能保障，并且无需离子掺杂即可在宽波段内获得高增益。然而在薄膜上高品质非线性集成波导的实现仍存在巨大挑战，TFLN连续光参量放大器长期未能实现。

近来，南京大学研究团队在南智光电突破高性能晶圆级TFLN光芯片的设计和工艺难题基础上，成功研制出国际上首个TFLN高增益连续光参量放大器。

图1 薄膜铌酸锂高增益连续光参量放大器示意图

研究亮点

TFLN材料具有很高的非线性系数，是进行片上频率转换和光参量放大的理想材料，此前报道的工作大多基于毫米级短波导，尽管可以实现较高的器件长度归一化效率，但是在总非线性效率上难以达到光参量放大的需求。在本工作中，研究团队在器件总非线性效率这一关键指标上取得了突破，其二次谐波生成的总效率达到2670%/W。基于该突破，该集成参量放大器在连续光下工作时，于电信波段实现了高达13.9 dB的片上信号增益，以及9.9 dB的光纤至光纤净增益；利用波导色散调控技术，参量放大器支持110 nm宽的10-dB信号增益带宽，覆盖电信C波段和L波段。

工艺方面，团队在4英寸TFLN晶圆上，采用离子减薄与先刻蚀后极化工艺制备12.3 mm长的周期极化TFLN波导，有效抑制了因厚度不均引起的相位失配，同时显著降低了波导的光学损耗，传输损耗在电信波段低至约0.1 dB/cm。

图2（a）周期极化TFLN波导的晶圆级制备流程；波导刻蚀在极化加工之前；（b）极化电极制备后的晶圆照片。照片中标注了21个芯片的编号；（c）周期极化波导的共聚焦显微镜图像；白色框线内表示波导区域，黄色箭头指示周期极化后的反转畴结构；（d）波导的扫描电子显微镜图像；（e）二次谐波功率随基波功率变化的测试结果；（f）基波消耗率与二次谐波生成随基波波长变化的关系图；插图为集成了连续光参量放大器的芯片照片。

为展示该连续参量放大器在光通信中的应用潜力，团队进一步针对商用光模块产生的1.25 Gbps和3.125 Gbps光信号，对其放大性能进行了测试。结果表明，该参量放大器可实现对光通信信号的高信噪比放大，经参量放大后，信号光的误码率显著低于无放大情况，且接收灵敏度大幅提升——即使输入信号功率低至?44 dBm，仍可被提升至可通信的接收水平。

图3（a）连续光参量放大器的输出光谱对比：仅信号光输入（无连续光参量放大过程）；信号光与基波光同时输入（有连续光参量放大过程），展示不同分辨率测试带宽下的连续光参量放大光谱；(b) 片上增益随信号波长变化关系及实验测试光谱结果；(c) 不同输入信号功率下的误码率测试结果，展示了连续光参量放大对调制信号误码率的优化降低，以及对光接收的灵敏度提升。

总结与展望

团队开发的高增益、宽带宽、低噪声的基于光电集成芯片的连续光参量放大器，为集成光电子领域提供了一种高效的片上信号放大解决方案，为下一代通信、计算、传感、测距系统构建了光电融合的核心功能单元，有力推动实现复杂信号处理功能的全集成光电芯片。

南京大学贾琨鹏助理教授、田晓慧博士后和谢臻达教授为论文共同通讯作者。南京大学博士生陈梦雯为论文第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、江苏省自然科学基金等项目和张江实验室的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.565112