近日，南方科技大学深港微电子学院赵前程助理教授课题组与合作者在五氧化二钽（Ta2O5）集成非线性光子学领域取得新进展。研究成果相继在国际知名光学期刊ACS Photonics（封面文章）和IEEE国际光子学会议2025 IEEE Photonics Conference（IPC 2025）上发表，南科大均为第一单位和通信单位。
图1 期刊文章封面：五氧化二钽集成光路是一种多功能非线性集成光子平台，支持受激布里渊散射、四波混频和宽带超连续谱生成
光子集成电路（PICs）凭借其卓越的并行计算能力、低延迟特性和能效优势，成为突破传统电子技术瓶颈的关键途径。而在众多光子平台中，五氧化二钽以其低光学损耗、低热光响应、和优异的非线性特性，已成为激光器外腔芯片、无热化滤波芯片、非线性宽带光源芯片等领域的理想平台，推动了集成光子芯片的快速发展。南方科技大学赵前程课题组致力于五氧化二钽集成光子平台的深入开发，拓展了兼容CMOS后端的微纳加工工艺，成功实现了低损耗、高稳定性的五氧化二钽集成器件，为新型集成光路的大规模制备打通了技术路径。
依托上述制造工艺，课题组成功制备了深刻蚀Ta2O5波导，在光通信波段传播损耗低至0.55 dB/cm，浅刻蚀脊形波导的传播损耗则进一步降低至0.28 dB/cm（图 2），这一低损耗特性为超连续谱和四波混频等非线性光学应用奠定了基础。在温度依赖性测试中，Ta2O5波导的温度依赖传输谱展现出极低的频谱温漂，提取的温度依赖波长偏移（TDWS）为7.2 pm/K。
图2浅刻蚀Ta2O5脊形波导的特性，包含电场分布、波导的横截面SEM图像、波导长度与插入损耗的关系、TE00模式的色散特性、微环谐振器的传输谱、微环谐振器的谐振曲线与Lorentzian拟合、微环谐振器的本征品质因子分布等。提取的温度依赖波长偏移（TDWS）为7.2 pm/K，提取的功率依赖波长偏移（PDWS）为0.29 pm/mW
基于低损耗的深刻蚀条形波导，赵前程课题组与荷兰特文特大学David Marpaung教授团队合作，成功实现了五氧化二钽波导中布里渊散射（SBS）的实验验证，并首次在集成Ta2O5波导中观察到背向布里渊增益。通过三重强度调制泵探测技术，揭示了11.23 GHz的布里渊频移，并测得4.9 m-1 W-1的布里渊增益（图 3），填补了Ta2O5材料在受激布里渊增益这一领域的空白。
图3 五氧化二钽波导中的布里渊散射。包括（a-d）波导结构、插入损耗、耦合效率；波导的光学模式和声学模式的仿真结果（e-g）；（h）布里渊增益谱；（j）在11.23 GHz的布里渊频移处观察到明显的反向布里渊增益
进一步研究了深刻蚀条形波导中的四波混频（FWM）效应。通过改变波导几何尺寸并固定波长偏移，在不同宽度的波导中测量了FWM谱图。得益于优化的色散特性和最小的散射损耗，在直波导上测得−47.9 dB的FWM转换效率。结果表明，Ta2O5深刻蚀条形波导具有显著的FWM转换效率，并能够在较宽光谱范围下保持稳定的转换效率，进一步证明了其在光通信和全光调控应用中的潜力（图 4）。
图4 不同波导宽度和波长分离下的四波混频实验结果。（a）采用两束可调激光源和光纤偏振控制器的实验装置；（b-e）不同波导宽度和波长分离对四波混频转换效率的影响，波导宽度的变化显著影响色散特性，2.8 μm宽的波导实现了最佳转换效率（−47.9 dB）
基于浅刻蚀脊形波导，课题组进一步探索了五氧化二钽波导的超连续谱生成（SCG）能力。通过数值模拟和实验，展示了在不同波导长度下，脊形波导生成的SCG光谱。在22.26厘米长的螺旋波导中，超连续谱扩展超过180 nm，且功率波动保持在15 dB以内。此SCG光谱被用于乙炔气体检测，成功解析了九个乙炔气体吸收峰，验证了其作为片上宽带光源在分子光谱学中的应用潜力。
图5 超连续谱生成（SCG）和乙炔气体光谱检测实验。（a）实验装置；（b）不同波导长度下的仿真SCG谱；（c-e）不同波导长度下的输入、模拟与实测SCG光谱对比；（f）通过波导前后乙炔气体吸收的SCG谱对比；（g-i）乙炔气体吸收与透射光谱的归一化结果、乙炔气体参考透射光谱
上述工作的第一作者为南方科技大学深港微电子学院23级博士生刘振宇，荷兰特文特大学David Marpaung教授、深港微电子学院赵前程助理教授为共同通讯作者，南方科技大学为第一单位和通信单位。该研究得到国自然和广东省项目支持。
相关论文信息：
1. Zhenyu Liu#, Randy Te Morsche, Mingjian You, Ning Ding, Xingyu Tang, Weiren Cheng, David Marpaung*, Qiancheng Zhao*. Tantalum Pentoxide Integrated Photonics II: A Promising Photonic Platform for Third-Order Nonlinearities[J]. ACS Photonics, 2026.
2. Zhenyu Liu#, Mingjian You, Xingyu Tang, Zhengqi Li, Weiren Cheng, Ning Ding, Junke Zhou, Jiaxin Hou, Ziming Zhang, and Qiancheng Zhao*. Gas Spectroscopy Powered by Broadband and Flat Supercontinuum Generation in Tantalum Pentoxide Waveguides[C]. 2025 IEEE Photonics Conference (IPC). IEEE, 2025: 1-2.
赵前程课题组介绍
赵前程课题组（LICONLAB：Light Interconnects Laboratory）致力于低损耗光波导器件和非线性集成光子器件研究，主要面向光通信、光计算、量子光学领域的基础科学和工业应用。课题组的研究工作得到国自然、广东省、深圳市等项目的支持。
