课题组联合南京航空航天大学雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室的罗宇教授团队，首次将变换光学从线性光学领域拓展到非线性光学领域，并实现了不依赖材料体系的、普遍适用于各种非线性光学过程的集成宽带非线性光学的设计方法。他们将这一方法应用于薄膜铌酸锂的集成宽带非线性光子器件。相关研究成果以“A conformal mapping approach to broadband nonlinear optics on chip”为题发表于《Nature Photonics》。

集成非线性光学器件在现代光通信领域扮演着关键角色，实现高速光通信中的宽带属性问题至关重要。为此，已经提出了一些方案，如波导中的群速度色散调控、零折射率波导、极化晶体或微腔等。然而，这些方法通常受材料的色散性质或者铁电畴的极化工艺等因素的限制。变换光学（transformation optics）是一种新颖的光学设计方法，通过连续调节材料的属性实现对电磁波的任意操控。这种方法可以实现很多有趣的光学现象和应用，例如光学隐身[1,2]、模拟黑洞[3]和宇宙弦[4]、Talbot光场调控[5]、等离激元加速光束[6]以及纳米聚焦[7]等。其中，共形变换光学（conformal transformation optics）消除了变换光学实验中必须考虑的极端各向异性，更易于设计各种光波段的材料和器件。然而，目前变换光学的应用主要局限于线性光学领域，尚未有研究者将其拓展到非线性光学领域。

论文提供了一种在光学芯片上设计宽带非线性光学器件的通用策略，无需考虑材料和频率范围的限制，以及非线性过程(  或  )的限制，除了薄膜铌酸锂之外，也是适用于包括硅、氮化硅等各种集成光学材料体系，可以用于诸如中红外和太赫兹产生，四波混频以及参量振荡等集成非线性光学过程。

      课题组博士生黄春雨为文章的第一作者，刘辉教授和罗宇教授为文章的共同通讯作者，祝世宁院士对该工作进行了深入指导。该工作得到了国家自然科学基金重大研发计划重点支持项目与科学中心项目的资助,以及新加坡科技研究局(A*STAR)和国家研究基金会(NRF)项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41566-024-01386-2

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