芯片級摻鉺光纖放大器具有的挑戰(zhàn)性

長期以來，光電技術一直致力于開發(fā)比電子產(chǎn)品運行更快、能耗更低的微芯片。然而，多年來，開發(fā)這種電路被證明具有挑戰(zhàn)性。主要困難之一涉及提供足夠的輸出功率以產(chǎn)生足夠強的信號。然而，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了一種芯片級的光功率放大器，其性能大致與商業(yè)電信中所顯露的性能一樣好。

現(xiàn)在連接全球的超寬帶光纖網(wǎng)絡依賴于摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifiers），這種放大器可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)超快的數(shù)據(jù)速率。由于光纖和其他網(wǎng)絡組件的信號損耗，在遠距離傳輸時，光信號必須放大多次。摻鉺光纖放大器最早是在20世紀80年代開發(fā)的，它可以幫助增強光信號，而無需事先將其轉(zhuǎn)換為電信號（具體來說，這些設備可以放大1.55微米或1550納米波長區(qū)域的光，其中光纖的傳輸損耗最?。?。

幾十年來，科學家一直在尋求發(fā)明類似的放大器，可以在光子芯片上工作。然而，開發(fā)這種芯片級放大器的嘗試導致，對于許多實際應用來說，輸出功率通常小于1毫瓦的器件太弱，這主要是由于用于在芯片內(nèi)部布線光的波導的損耗。這些放大器通常也有較大的足跡，其制造與當代光子集成電路制造技術不兼容。

現(xiàn)在，研究人員開發(fā)了一種芯片級摻鉺光纖放大器。在輸入功率僅為2.61兆瓦、小信號增益超過30分貝的情況下，新設備的輸出功率超過145毫瓦，創(chuàng)歷史新高。這導致在連續(xù)運行的電信頻帶中放大了1000倍以上，這一性能已經(jīng)與商用高端摻鉺光纖放大器相當。

“這項工作最令人興奮的部分是放大器的工作性能，它們與商業(yè)放大器不相上下，盡管每個維度只有幾百微米寬，”研究資深作者Tobias Kippenberg說，他是瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的光學工程師，“幾年前，實現(xiàn)這種放大器性能似乎是不可能的。”

此外，研究人員將該設備長達半米的摻鉺波導封裝成一個螺旋形，其足跡測量值僅為1.2毫米×3.6毫米。該裝置還具有大約60%的高功率轉(zhuǎn)換效率。這種新器件的關鍵是基于氮化硅的超低損耗芯片級光子波導，氮化硅是一種已經(jīng)廣泛應用于半導體工業(yè)的材料。最近，Kippenberg和他的同事制作了長達米的超低損耗氮化硅波導。這使他們研究了在這種波導中注入鉺是否會產(chǎn)生光放大器。

Kippenberg說：“鉺離子可以提供光的放大，但只能非常微弱。只有當它們嵌入損耗非常低的光纖中，并且當它們與光進行很長距離（通常為米長）的相互作用時，才能實現(xiàn)增益?！?/p>

在實驗中，研究人員表明他們可以將被稱為 soliton microcombs 的設備的輸出功率提高100 倍。soliton microcombs 可用于光譜學、計量學和其他應用，但它們的輸出功率僅限于幾十到幾百微瓦，幾乎在所有應用中都需要放大。

科學家們還透露，他們的設備可以直接放大20多個波分多路復用通道，用于1公里長的光纖鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸。這表明它可以用于電信網(wǎng)絡的芯片級放大。

研究人員指出，他們的光放大器仍然需要一個遠離微芯片的泵浦激光器。因此，整個裝置尚未整合在一起。Kippenberg說：“這是我們未來需要通過混合集成解決的關鍵缺陷?！?/p>

最終，科學家們希望他們的光放大器能夠幫助實現(xiàn)芯片級的鎖模激光器，產(chǎn)生僅為萬億分之一秒（又稱飛秒）長的脈沖。這項研究的主要作者、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的光學工程師Yang Liu表示，這種設備可能有多種用途，例如激光雷達。

Kippenberg說：“飛秒鎖模激光器顯然是一個圣杯，也是我們現(xiàn)在關注的目標?！?/p>