近日，我校微波光子技术国家级重点实验室罗宇教授联合南京大学物理学院刘辉教授课题组，在国际光子学顶刊《Nature Photonics》上发表题为“A conformal mapping approach to broadband nonlinear optics on chip”的学术论文。该论文提出了基于变换光学的通用策略，通过设计具有空间梯度曲率的弯曲加速波导，实现了片上宽带非线性频率转换。实验室罗宇教授和南京大学刘辉教授为共同通讯作者。
集成非线性光学器件在现代光通信领域有着极其广泛的应用。然而，普遍认为在片上实现宽带非线性光学转换是一项极具挑战性的任务。为解决这一难题，论文作者提出了一种基于变换光学原理的片上宽带非线性器件通用设计方法。此前，变换光学的研究主要集中在线性光学领域，由于常规变换对非线性材料的要求极度苛刻，该方法尚未被拓展到非线性光学领域中。该工作开拓了变换光学的一个全新方向，并首次证明了具有梯度曲率的加速波导为扩展各类片上非线性效应的带宽提供了一个有效的平台。作为实验验证，论文作者通过该方法设计了铌酸锂弯曲加速波导，用以提高红外信号的和频带宽以及频率上转换效率。下图所示的实验结果清楚地表明，增加波导曲率的梯度可以显著地扩展非线性和频的带宽。这种宽带和频效应为中/远红外长波探测和成像提供了一种有效手段。同时，该工作中报道的保角变换方法具有普适性，可以拓展到任何波长范围，且适用于各阶非线性效应。此外，通过该方法设计的加速弯曲波导不需要复杂的制备或精确的加工，可批量生产，并与CMOS工艺兼容。
图1 a.实验光路图。基频光源使用了可调波长飞秒激光器和稳态光源。b. 不同梯度曲率的加速波导样品的电镜图片和与之对应的CMOS成像图。从三幅子图中的光强对比可以看出，曲率梯度（加速度）越大，光强越大。c.和频光光强随曲率梯度的变化关系。其中红线表示理论结果，蓝点和误差线分别表示多次实验测试结果的平均值和方差。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01386-2
