光子芯片可以实现光放大

基于光子芯片的连续行波光学参量放大和频率转换。(a) 实验装置示意图。(b) 系统的波长和功率相关增益。(c) 2米长的螺旋波导的模拟增益光谱。(d,e) 与(b,c)相同，但表示从泵到中间齿轮的频率转换效率。图片来源：Nature(2022)。DOI: 10.1038/s41586-022-05329-1。

       实现光纤中包含的光信号的量子受限放大的能力可以说是我们现代信息社会最重要的技术进步之一。在光通信中，选择1550 nm波段的原因不仅在于二氧化硅光纤的损耗极小（2008 年诺贝尔物理学奖认可的一项成果），而且也是由于存在放大这些信号的方法，这对于实现跨洋光纤通信是至关重要的。光学放大几乎在所有基于激光的技术中都起着非常关键得作用，例如从在数据中心通过跨洋光纤链路在服务器和陆地之间进行通信的光通信，到相干调频连续波(FMCW)激光雷达(LiDAR)（是一种可以比以往更远、更快、更精确地探测和跟踪物体的新型技术）等一系列应用。

       目前，基于铒等稀土离子以及 III-V 族半导体的光放大器已经在实际应用中得到了广泛的应用。这两种方法都是基于光学跃迁的放大，但是还有另一种光信号放大的范例：行波参量放大器，它通过改变一个小的系统“参数”（例如传输线的电容或非线性）就可以实现信号放大。

光参量放大器

       自二十世纪80 年代以来，人们就知道光纤固有的非线性也可以用来设计行波光参量放大器，其增益与原子或半导体的跃迁无关，这意味着它可以适用于宽频带，并且几乎覆盖任何波长。参量放大器也不受最小输入信号的影响，这意味着它们可用于在单一设置中放大最微弱的信号和大的输入功率。最后，增益光谱可以通过波导几何优化和色散工程进行定制，这为目标波长和应用提供了非常高的设计灵活性。最有趣的是，参数增益可以在传统半导体或稀土掺杂光纤无法达到的特殊波段中获得，参量放大本质上是量子受限的，甚至可以实现无噪声放大。

硅的局限性

       尽管光纤中的光学参量放大器具有引人注目的特性，但由于二氧化硅的弱克尔非线性，因此光纤中的光学参量放大器需要极高的泵浦功率。在过去的二十年中，集成光子平台的进步使得有效的克尔非线性得到了显著的增强，这是在二氧化硅光纤中无法实现的，但是目前还没有实现连续波的放大器。洛桑联邦巴黎综合理工学院光子学和量子测量实验室负责人 Tobias Kippenberg 教授说：“在连续波状态下运行不仅仅是一项‘学术成就’，事实上，它对任何放大器的实际操作都是至关重要的，因为它意味着任何输入信号都可以被放大，例如，光编码信息、激光雷达信号、传感器信号等。时间和光谱连续行波放大对于放大器技术在现代光通信系统以及光学传感和测距的新兴应用中的成功实施是至关重要的。”

突破性的光子芯片

       由Kippenberg研究小组的Johann Riemensberger博士领导的一项新研究解决了这一挑战，他们开发了一种基于在连续状态下运行的光子集成电路的行波放大器。Riemensberger博士说：“我们的成果是十多年来在集成非线性光子学和追求更低的波导损耗方面的研究努力的结晶”。研究人员使用超过两米长的超低损耗氮化硅光子集成电路，在一个3x5 mm2大小的光子芯片上建立了第一个行波放大器，该芯片工作在连续模式下，并在电信频段提供7 dB片上净增益和2 dB光纤-光纤耦合净增益。最近，Victor Torres公司和查尔默斯大学的Peter Andrekson小组也在氮化硅中实现了片上净增益参数放大。

       在未来，该研究团队通过利用精确的光刻控制对波导色散进行优化可以实现超过200 nm 的参数增益带宽。由于氮化硅的基本吸收损耗非常低（约 0.15 dB/米），进一步的制造优化可以使芯片的最大参数增益在只有750 mW泵浦功率的情况下超过70 dB，超过最好的光纤放大器的性能。Kippenberg 说：“这种放大器的应用领域是无限的，从可以将信号扩展到典型电信频段之外的光通信，到中红外或可见激光和信号放大，再到激光雷达或或其他用于探测、感知和询问经典或量子信号的应用。”

       该研究论文已经发表在《Nature》杂志上。

消息来源：https://phys.org/news/2022-11-photonics-chip-amplification.html

[1]Tobias Kippenberg, A photonic integrated continuous-travelling-wave parametric amplifier, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05329-1.