中国科学家将光子集成芯片的光输出功率提高100多倍
光子盒研究院出品
最近，瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL) Tobias J. Kippenberg教授团队展示了一种基于光子集成电路的掺铒波导放大器，其输出功率达到145 mW，小信号增益超过30 dB，这相当于在连续运行的电信频段中可将信号放大超过1000倍，与商用光纤放大器性能相当，超过了最先进的III-V族异质集成半导体放大器。
6月16日，相关成果以《基于光子集成电路的掺铒放大器》为题发表在《科学》杂志[1]。
论文作者包括多位中国人，其中，该团队的博士后刘阳博士、博士生邱哲儒、博士生纪歆茹是论文主要作者；两位EPFL前同事也参与了该工作，南京航空航天大学何吉骏博士、深圳国际量子研究院刘骏秋博士。
光子集成芯片上的掺铒波导放大器，尺寸为1X1 cm2，激发铒离子发出绿光。
掺铒光纤放大器(EDFA)是一种能够为光纤中的光信号功率提供增益的器件。它们通常用于长距离通信光缆和光纤激光器。EDFA发明于20世纪80年代，它对我们的信息社会产生了深远的影响，使信号能够穿越大洋，并取代了电子中继器。
光通信中铒离子的有趣之处在于，它们可以放大1.55 mm波长范围内的光，这样硅基光纤传输损耗最低。铒和一般稀土离子的独特电子intra-4-f壳层结构使得在玻璃等基质材料中掺杂时能够实现长寿命激发态。铒离子为同时放大多个信息传输信道提供了理想的增益介质，串扰可忽略不计，温度稳定性高，噪声低。
从光纤传感和频率计量，到包括激光加工和激光雷达在内的工业应用，几乎所有激光应用都使用了光放大。如今，基于稀土离子的光放大器已广泛用于光学频率梳和原子钟。
在光子集成电路中用稀土离子实现光放大可以带来集成光子学的转变。在20世纪90年代，贝尔实验室开始研究掺铒波导放大器(EDWA)，但最终放弃了它们，因为它们的增益和输出功率无法与基于光纤的放大器媲美，同时它们的制造无法与当代光子集成制造技术结合。
即使最近集成光子学兴起，在EDWA上的新努力也只能实现小于1 mW的输出功率，这对于许多实际应用来说是不够的。这里的问题是高波导背景损耗、高协作上转换(高铒浓度下的增益限制因素)或在紧凑型光子芯片中实现米级波导长度的长期挑战。
现在，由Tobias J. Kippenberg教授领导的EPFL团队已经在毫米级尺寸上建立了一个基于氮化硅(Si3N4)光子集成电路的EDWA，长度可达半米，产生了超过145 mW的创纪录输出功率，并提供了超过30 dB的小信号净增益，这相当于在连续运行的电信频段中可将信号放大超过1000倍。其性能可与商用高端EDFA以及硅光子学中最先进的异质集成III-V族半导体放大器媲美。
Kippenberg实验室的研究员、该研究的首席科学家刘阳博士说[2]：“我们通过将离子注入技术应用于超低损耗氮化硅集成光子电路，克服了长期以来的挑战。离子注入是一种晶圆级工艺，即使在离子浓度很高的情况下，也能从极低的协作上转换中获益。”
博士生兼该研究的合著者邱哲儒说：“这种方法使我们能够在米级长度的紧凑型波导中实现低损耗、高铒浓度和大模式离子重叠因子，这在此前几十年都没有解决。”
Kippenberg说：“以高输出功率和高增益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至关重要，因为它意味着任何输入信号都可以达到足以进行长距离高速数据传输和散粒噪声受限检测的功率水平；它还标志着片上高脉冲能量飞秒激光器最终可以使用这种方法成为可能。”
这一重要突破标志着稀土离子作为集成光子学中可行增益介质的复兴，因为EDWA的应用几乎是无限的——从用于自动驾驶的光通信和激光雷达，到用于大型量子网络的量子传感和存储器。此外，预计将引发涵盖更多稀土离子的后续研究，提供从可见光到中红外光谱部分的光学增益，甚至更高的输出功率。
参考链接：
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo2631
[2]https://phys.org/news/2022-06-photonic-erbium-doped-amplifiers-commercial.html