華中科技大學張新亮教授團隊徐競教授與丹麥科技大學蒲敏皓教授團隊聯合華盛頓大學圣路易斯分校楊蘭教授開發了低功耗全光信號處理集成器件。該器件基于宇稱-時間（PT）對稱性對損耗的操控，同時利用PT系統中的奇異點和PT對稱破缺相，突破了單個微腔在信號處理中遇到的速率和效率的制約關系，首次將高品質因子微腔應用于高速光信號處理，并將非線性轉換效率在高通信速率（40GBaud）下提升100倍。結合絕緣體上鋁鎵砷材料平臺的高非線性優勢，團隊展示了超低功耗全光波長轉換操作，驗證了該器件在全光網絡中的應用潛力。在僅使用1毫瓦泵浦功率的情況下，實現了38GBaud無誤碼波長轉換，轉換后信號質量無劣化（功率代價小于1dB）。超低功耗意味著該器件可以輕松地用片上激光器作為泵浦源來驅動。此外，該結構還具有小尺寸（<0.01mm2）和大轉換范圍（>170nm）的優勢，為全光信號處理走向實用化邁出了重要一步。該工作將PT對稱性與光信號處理的結合，為解決速率和效率這對矛盾提供了新的思路，潛在應用包括光電器件設計（放大器、探測器、傳感器）、光力學、量子光學、原子物理等。近日，該成果在卓越計劃高起點新刊eLight上發表，題為“Parity-time symmetry enabled ultra-efficient nonlinear optical signal processing”。Chanju Kim博士和博士生魯欣達為該工作的共同第一作者，蒲敏皓教授和徐競教授為該工作的共同通訊作者。今天，90%以上的信息都是通過光傳遞的，而絕大部分的信息處理仍需轉換為電信號再進行處理，信息的傳輸速率和處理速率之間存在巨大的鴻溝（三個數量級）。全光信號處理是指直接在光域完成信息處理，從而避免光電光轉換的信息處理方式。線性的光信息處理已經在光計算方面展現了強大的功能，而非線性全光信號處理則可讓光子之間產生相互作用，產生新頻率的光、并生成新信息，在經典和量子光通信上都有廣泛用途，如波長轉換（圖1）、相位共軛、信號再生、壓縮光產生等。由于非線性效應具有超快響應速率，支持大帶寬和并行操作，對輸入信號的格式、速率、波長等具有良好的透明性，附加噪聲低等優點，全光信息處理具有潛在大容量、低功耗、低延遲、低復雜度、低成本等優勢。
圖1：典型的全光信號處理技術波長轉換示意圖
當入射光足夠強的時候，物質會被極化，并由此產生新頻率的光。然而，光子是一種玻色子，不容易產生相互作用，非線性光學效應弱，產生非線性效應需要高功率激光，這成為了困擾非線性光信號處理走向實用化的關鍵問題。高品質因子光學微腔可以將光限制在微腔中循環百萬次以上，大大增加了光與物質的相互作用時間，可極大提升非線性效率。利用高品質因子光學微腔產生克爾光學頻率梳就是一個典型的例子。然而，高品質因子光學微腔在提升非線性的同時犧牲了器件的響應速度，嚴重阻礙了高品質因子在全光信息處理中的應用。這是因為相互作用時間越長，微腔品質因子越高，微腔的諧振峰線寬越窄。根據傅里葉變換原理，線寬越窄可允許通過的光信號的傳輸速率越低。因此，微腔的非線性效率隨著信號處理速率的升高而急劇下降（圖2）。如何讓高品質因子光學微腔同時做到高速和高效是一件十分具有挑戰性的事情。
圖2：微腔用于全光信號處理存在速率和效率的矛盾（a）微腔場增強隨諧振峰寬度的增加而急劇減�。╞）圖a中A和B兩個特征點處的諧振峰場增強示意圖，諧振峰寬度用對應顏色箭頭表示，其中A點對應最大場增強（臨界耦合），B點對應用于信號速率下的場增強
雖然很多情況下人們希望避免損耗，但是當把損耗加入光學微腔的時候，微腔的諧振峰線寬得以展寬，根據傅里葉變換的原理，諧振峰允許通過的信息速率就得到提升，因此損耗在信號處理中可以起到積極的作用。注意到在簡并的四波混頻過程中（一種常見的三階非線性效應，被廣泛用于全光信號處理），一束泵浦光和一束信號光產生一束新的光（稱為閑頻光）。泵浦光湮滅兩個光子，產生一個信號光子和一個閑頻光子，且兩個泵浦光子的能量之和等于信號光子和閑頻光子的能量之和。這就意味著，在使用微腔進行非線性光信號處理的過程中，泵浦光、信號光和閑頻光分別使用微腔的三個不同諧振峰。通過選擇性的增加信號光子和閑頻光子的諧振峰寬度，同時保留泵浦光子的諧振峰的高品質因子特性（窄線寬），可以讓信號光和閑頻光攜帶高速信息，同時泵浦光獲得大場增強，從而讓光信號處理變得更快更強（圖3a）。借助宇稱-時間對稱性對損耗的操控，研究人員設計了一種特殊的耦合雙環結構，利用耦合微腔系統在奇異點（EP點）和宇稱時間對稱性破缺這兩個不同狀態的物理特性，可滿足光信號處理對不同光選擇性增強的要求。采用一對耦合微腔（圖3b），半徑比為1:2，其中小環與直波導相連，實現對小環耦合損耗的調控以及輸入輸出。通過適當設置波導與小環的耦合系數，以及小環與大環之間的耦合系數，該結構的諧振峰呈現出寬窄交替的特征（圖3c）。其中，寬峰的形成得益于EP點附近的特性，此時小環與大環的模式耦合之后形成展寬的諧振峰，保證信號和閑頻光可以無畸變地攜帶高速信息；窄峰的形成是因為大環的諧振模式在小環中處于反諧振狀態，系統可理解為處于深度對稱性破缺狀態，局域在大環內的模式其損耗恢復為接近本征損耗的狀態，因此場增強為接近臨界耦合的狀態，可以被泵浦光利用，極大提升非線性效率。此時，泵浦光在大環內得到了極大場增強，同時信號光和閑頻光均勻分布在大小環內，符合PT系統的模式分布特征，也保證了大環內能夠有效產生四波混頻效應（圖3d）。圖4給出了實驗測得的雙環耦合結構透射譜隨波導耦合損耗的變化曲線，驗證了PT對稱性對微腔合成線寬的調控。在EP點附近（藍色區域），耦合微腔的諧振峰呈現遠大于本征線寬的特性，用于高速信號光和閑頻光；在綠色區域（PT對稱性破缺），耦合微腔的透射譜接近本征線寬（約兩倍本征線寬），用于泵浦光。
圖3：基于宇稱時間對稱性的微腔光譜調控
近年來，絕緣體上鋁鎵砷（AlGaAsOI）在集成高非線性材料平臺中表現突出。鋁鎵砷材料能夠很好的兼顧雙光子吸收和非線性，加上波導色散控制（如對波導橫截面尺寸加以設計），可以獲得超大轉換帶寬，該材料平臺已在低功耗光頻梳和光信號處理等方面取得了快速進展。借助結構與材料的雙重優勢，研究人員在鋁鎵砷材料平臺制備了該結構（圖5a）。圖5b給出了該器件用于光信號處理時的典型透射譜，具有明顯的寬窄交替特性。其中，窄峰的消光比約10dB，處于準臨界耦合狀態，寬峰處于嚴重過耦合狀態（EP點附近系統的總損耗遠大于本征損耗）。通過在鋁鎵砷材料平臺制備具有相同帶寬的雙環結構與單環對照結構，驗證了非線性效應提升，在40GBaud速率下雙環結構的非線性效率相比于單環結構提升兩個數量級（100倍）（圖5c）。更進一步對雙環結構進行波長轉換系統測試表明，該結構僅需1mW泵浦光就能實現38GBaud信號的無誤碼波長轉換操作（圖5d），意味著可以輕松將泵浦源集成到片上。進一步測試不同帶寬耦合雙環器件性能表明，該結構對設計帶寬以內的波長轉換操作沒有引入明顯的信號質量劣化（功率代價均小于1dB）。值得注意的是，泵浦光的極大場增強使得泵浦光的實際注入功率比信號光還弱（圖5e）。而在通常情況下，泵浦光是一束高光功率激光，功率顯著高于信號光。其次，泵浦光臨界耦合導致輸出端的泵浦光功率大為下降，這為后續泵浦光的抑制提供了便利，這一點在量子應用中尤為重要。除此之外，該結構還具有大轉換帶寬（>170nm）（圖5f）和小尺寸（<0.01mm2）的優勢。
圖5：超低功耗全光波長轉換實驗結果
損耗帶來了更大的帶寬，在光信號處理中具有重要意義。結合PT對稱性對損耗的操控以及絕緣體上鋁鎵砷高非線性平臺，研究人員展示了具有低功耗、高速率、無劣化、小尺寸和大轉換范圍等諸多優點的非線性光信號處理集成器件，未來有望將泵浦源集成到片上，為全光信號處理走向實用化邁出了重要一步。由于PT對稱性與光信號處理的結合為解決速率和效率這對矛盾提供了新的思路，潛在應用包括光電器件設計（放大器、探測器、傳感器）、光力學、量子光學、原子物理等。