光芯片取得又一大突破

将光纤中的光信号放大到其量子极限的能力是支撑我们现代信息社会的一项关键技术进步。1550 nm 波段用于光通信，因为它不仅在石英光纤中具有低损耗（2008 年诺贝尔物理学奖因此获得），而且还因为它允许放大这些信号，这对传输至关重要海洋光纤通信。

本研究中使用的光子集成电路

图片来源：Tobias Kippenberg (EPFL)，CC BY 4.0

光学放大在几乎所有基于激光的技术中都起着关键作用，例如光通信，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，以及相干调频连续波 (FMCW) 等测距应用LiDAR——一种新兴技术，可以比以往更远、更快、更精确地检测和跟踪物体。如今，基于铒等稀土离子以及 III-V 族半导体的光放大器已广泛用于实际应用中。

这两种方法都是基于光学跃迁的放大。但还有另一种光信号放大范例：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）来实现信号放大。

自 80 年代以来，人们就知道光纤的固有非线性也可以用来创建行波光学参量放大器，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，参数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受限的，甚至可以实现无噪声放大。

尽管它们具有吸引人的特性，但光纤中的光参量放大器由于二氧化硅的弱克尔非线性导致它们非常高的泵浦功率要求而变得更加复杂。在过去的二十年里，集成光子平台的进步显着增强了有效的克尔非线性，这在石英光纤中是无法实现的，但还没有实现连续波放大器。

“在连续波状态下运行不仅仅是一项‘学术成就’，”EPFL 光子学和量子测量实验室负责人 Tobias Kippenberg 教授说。“事实上，这对任何放大器的实际操作都至关重要，因为它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 LiDAR 的信号、传感器等。时间和频谱连续、行进 -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。”

由 Kippenberg 小组的 Johann Riemensberger 博士领导的一项新研究现已通过开发基于在连续状态下运行的光子集成电路的行波放大器来解决这一挑战。Riemensberger 说：“我们的结果是集成非线性光子学十多年研究成果的结晶，也是对更低波导损耗的追求。”

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 3×5 平方毫米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运行，并在电信频段提供 7 dB 的片上净增益和 2 dB 的光纤到光纤净增益。查尔姆斯大学的 Victor Torres-Company 和 Peter Andrekson 小组最近也实现了氮化硅片上净增益参量放大。

未来，该团队可以使用精确的光刻控制来优化波导色散，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将芯片的最大参数增益推高至 70 dB 以上，泵浦功率仅为 750 mW，超过了基于光纤的最佳性能放大器。

“这种放大器的应用领域是无限的，”Kippenberg 说。“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 LiDAR 或激光用于探测、感测和询问经典或量子信号的其他应用。”

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