光子芯片允许光放大

实现光纤中包含的光信号的量子限制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1550nm波段的动机不仅是石英光纤的损耗最小值(2008年诺贝尔物理学奖认可的一项发展)，而且同样是由于存在放大这些信号的方法，这对实现至关重要跨洋光纤通信。

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。

光参量放大器

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。

硅限制

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。在过去的二十年中，集成光子平台的进步显着增强了石英光纤无法实现的有效克尔非线性，但尚未实现连续波放大器。

EPFL光子学和量子测量实验室负责人TobiasKippenberg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。”

突破性光子芯片

由Kippenberg小组的JohannRiemensberger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。“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，”Riemensberger说。

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，在尺寸为3x5mm2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7dB片上净增益和2dB净增益光纤到光纤。查尔姆斯大学的VictorTorres-Company和PeterAndrekson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200nm的参数增益带宽。由于氮化硅的基本吸收损耗非常低(约0.15dB/米)，进一步的制造优化可以将芯片的最大参数增益推高至70dB以上，泵浦功率仅为750mW，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。”