【资讯】一块氮化硅芯片，如何产生横跨三个倍频程的超连续谱

2026-08-11 18:00:25

 超连续谱（Supercontinuum，SC）被誉为光学领域的“白光激光”，能够在极宽的波长范围内保持高度相干性，是光频梳、精密光谱测量、生物成像、拉曼显微以及超快科学等领域的重要光源。然而，如何同时获得超宽光谱、超短脉冲以及高相干、低噪声输出，一直是集成非线性光子学面临的重要挑战。近期，上海大学牟成博教授和郭海润教授团队联合张江实验室、中国科学技术大学等单位的研究人员提出了一种基于氮化硅（Si3N4）集成波导的超连续谱产生方案，通过优化孤子动力学，并结合自主研制的低噪声碳纳米管锁模飞秒光纤激光器，实现了覆盖约500–4000 nm、跨越三个倍频程的高相干超连续谱，同时完成了约3个光学周期脉冲压缩、噪声抑制以及片上自参考光频梳验证，为片上超快光源的发展提供了新的技术路线。相关成果发表在Laser & Photonics Reviews 上。

       近年来，随着硅光子技术的发展，利用集成波导产生超连续谱逐渐成为研究热点。相比光纤方案，集成波导具有体积小、非线性效率高、易于集成等优势，能够在几毫米尺度内实现剧烈的光谱展宽。然而，宽光谱并不意味着高质量。

       当飞秒脉冲进入非线性波导后，会经历自相位调制、孤子裂变、色散波产生等复杂非线性过程。如果这些过程受到噪声扰动，就容易导致光谱塌缩、相位随机变化以及相对强度噪声增加，最终降低超连续谱的相干性。这也是目前片上超连续谱难以直接用于光频梳和精密测量的重要原因。

       针对这一问题，研究团队从光源和波导两个方面进行了协同设计。首先，团队构建了一套基于单壁碳纳米管（SWCNT）的高纯保偏飞秒光纤激光系统。经过放大与色散补偿后，输出脉冲宽度压缩至69 fs，平均功率达到255 mW，峰值功率约37 kW，并保持接近傅里叶变换极限的高脉冲质量，为后续非线性演化提供了稳定的种子光源。与此同时，研究人员设计并加工了长度约5 mm的Si?N?集成波导，通过精确调控波导横截面尺寸，实现反常色散环境下的低孤子数传播，使孤子压缩、自相位调制和色散波产生能够按照预期演化，而不是进入随机裂变状态。

       输入脉冲的质量对最终超连续谱影响极大。当种子脉冲存在较大的底座或啁啾时，超连续谱中心区域会出现明显扰动，相干性快速下降；而采用低底座飞秒脉冲，则能够保持整个非线性过程高度确定性，从源头降低噪声。实验中，随着输入功率不断提高，波导中的非线性效应依次发生。首先出现三次谐波；随后产生可见光色散波；继续提高输入功率后，中红外色散波同步出现，最终形成覆盖约500 nm至4000 nm的超连续谱，实现了可见光到中红外的连续覆盖，总跨度达到约三个倍频程。与此同时，波导还表现出优异的脉冲压缩能力。进入波导前，飞秒脉冲宽度约为56 fs；经过孤子自压缩后，输出脉冲缩短至约14 fs，达到理论预测的约3光学周期水平。这意味着波导不仅能够产生宽光谱，还能够直接输出超短飞秒脉冲，为超快光学实验提供高品质光源。

图1随输入功率增加，超连续谱（SC）光谱的演化

图源：Ultrafast Supercontinuum Generation in Silicon Nitride Waveguides With Noise Mitigation，Laser & Photonics Reviews图4（c）© 2026 Wiley-VCH GmbH

       相比以往工作，这项研究最大的亮点并不仅仅是光谱宽度。研究团队利用延迟迈克耳孙干涉仪，对超连续谱进行了系统相干性测量。实验结果显示，在600–2200 nm范围内，平均相干度达到97%以上，整个测量波段均保持稳定干涉条纹，说明超连续谱具有极高的相位一致性。研究人员发现，经过波导之后，重复频率的高频相位噪声和相对强度噪声均明显下降。传统观点认为，非线性过程往往会放大噪声，而该研究却观察到波导具有一定的噪声抑制能力。研究团队认为，这种噪声降低可能与光学波破裂（Optical Wave Breaking）及频谱能量重新分配有关，使超连续谱不仅保持宽带输出，还获得更好的稳定性，为未来低噪声光频梳提供了新的思路。

图2 基于单壁碳纳米管锁模光纤激光器系统激发的Si3N4波导中散射光相干性

图源：Ultrafast Supercontinuum Generation in Silicon Nitride Waveguides With Noise Mitigation，Laser & Photonics Reviews图5 © 2026 Wiley-VCH GmbH

       除了宽带输出之外，研究人员还进一步验证了片上光频梳自参考能力。利用波导内部同步产生的三次谐波与色散波，研究团队完成了f-3f自参考测量，获得约30 kHz线宽的载波包络频率信号，无需额外倍频晶体或复杂外部干涉装置即可实现片上自参考验证。这表明该波导不仅能够产生宽带超连续谱，还具备构建全集成光频梳系统的潜力。

图3 由超连续谱产生的拍频信号

图源：Ultrafast Supercontinuum Generation in Silicon Nitride Waveguides With Noise Mitigation，Laser & Photonics Reviews图7 © 2026 Wiley-VCH GmbH

       总体来看，这项工作通过低噪声飞秒光源+色散工程Si?N?波导的协同设计，实现了三个关键突破：一是获得跨越三个倍频程的高相干超连续谱；二是在片上实现亚3周期超短脉冲压缩；三是实现噪声抑制和在线自参考光频梳验证。

       这些成果进一步证明，集成氮化硅波导不仅能够承担传统意义上的超连续谱产生功能，更有望发展成为集宽带光源、超短脉冲压缩、低噪声频率梳、自参考计量于一体的新型超快光子平台。未来，随着片上非线性器件和飞秒激光器进一步集成，这类高相干超连续谱芯片有望应用于精密光谱测量、双光梳光谱、光学频率计量、量子光学以及中红外传感等多个领域，为下一代集成超快光子系统提供关键支撑。

参考文献： 中国光学期刊网

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