远距离光纤通信的突破：在光子芯片上构建了第一个行波放大器

光子盒研究院出品

EPFL的科学家们开发了光子集成电路，在硅片上展示了一种新的光放大原理。它可以用于激光雷达、跨洋光纤放大器或数据中心电信中使用的光信号[1]。

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光纤中光信号的量子限制放大

对光纤中包含的光信号进行量子限制放大的能力可以说是现代信息社会基础上最重要的技术进步之一。在光通信中，1550nm波长波段的选择不仅受到二氧化硅光纤的最小损耗（这是2008年诺贝尔物理学奖所认可的一项发展）的影响，也同样受到放大这些信号的方法的影响，这对实现跨洋光纤通信至关重要。

光学放大在几乎所有基于激光的技术中都发挥着关键作用，例如光学通信，例如用于数据中心，通过跨洋光纤链路在服务器之间和大陆之间进行通信，以及测距应用，如相干调频连续波（FMCW）激光雷达，并且比以往任何时候都更精确。如今，基于铒等稀土离子以及III-V族半导体的光放大器广泛应用于现实世界。

这两种方法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“参量”来实现信号放大，例如传输线的电容或非线性。

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光学参量放大器

自20世纪80年代以来，人们就已经知道，光纤的固有非线性也可以用来创建行波光参量放大器，其增益与原子或半导体跃迁无关，这意味着它可以是宽带的，实际上可以覆盖任何波长。

参量放大器也不会受到最小输入信号的影响，这意味着它们可以用于在单个设置中放大最微弱的信号和大的输入功率。最后，增益谱可以通过波导几何优化和色散工程来定制，这为目标波长和应用提供了巨大的设计灵活性。最有趣的是，参量增益可以在常规半导体或稀土掺杂光纤无法达到的不寻常波段中导出。参量放大本质上是量子限制的，甚至可以实现无噪声放大。

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硅的局限性

尽管光纤中的光参量放大器具有诱人的特性，但由于二氧化硅的弱克尔非线性，其对泵浦功率的要求非常高。在过去的二十年中，集成光子平台的进步使有效的克尔非线性得到了显著增强，这在石英光纤中是无法实现的，但却没有实现连续波操作放大器。

EPFL光子和量子测量实验室负责人Tobias Kippenberg教授表示[2]：“在连续波模式下工作不仅仅是一项‘学术成就’。事实上，这对任何放大器的实际操作都至关重要，因为这意味着任何输入信号都可以被放大——例如，光学编码信息、来自激光雷达的信号、传感器等。时间和频谱连续的行波放大对于在现代光通信系统中成功实施放大器技术以及光学传感和测距的新兴应用至关重要。”

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突破性光子芯片

基于光子集成电路的连续行波光参量放大器原理。

基于光子芯片的连续行波光参量放大器和频率转换。

Kippenberg团队的Johann Riemensberger博士领导的一项新研究现在已经解决了这一挑战，开发了一种基于连续工作的光子集成电路的行波放大器。Riemensberger表示：“我们的研究成果是集成非线性光子学领域十多年研究成果的结晶，也是对波导损耗不断降低的追求。”

研究人员使用了一个超过两米长的超低损耗氮化硅光子集成电路，在尺寸为3x5 mm2的光子芯片上构建了第一个行波放大器。该芯片在连续状态下工作，在电信频带中提供7 dB片上净增益和2 dB光纤间净增益。

未来，该团队可以使用精确的光刻控制来优化波导色散，以获得超过200nm的参量增益带宽。而且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量增益超过70 dB，泵浦功率仅为750 mW，超过最佳光纤放大器的性能。

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带之外的光通信，到中红外或可见光激光和信号放大，再到激光雷达或其他应用，激光用于探测、传感和询问经典或量子信号。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05329-1

[2]https://actu.epfl.ch/news/photonics-chip-allows-light-amplification/

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