芯片级掺铒光纤放大器具有的挑战性

长期以来，光电技术一直致力于开发比电子产品运行更快、能耗更低的微芯片。然而，多年来，开发这种电路被证明具有挑战性。主要困难之一涉及提供足够的输出功率以产生足够强的信号。然而，研究人员现在已经开发了一种芯片级的光功率放大器，其性能大致与商业电信中所显露的性能一样好。

现在连接全球的超宽带光纤网络依赖于掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifiers），这种放大器可以在全球范围内实现超快的数据速率。由于光纤和其他网络组件的信号损耗，在远距离传输时，光信号必须放大多次。掺铒光纤放大器最早是在20世纪80年代开发的，它可以帮助增强光信号，而无需事先将其转换为电信号（具体来说，这些设备可以放大1.55微米或1550纳米波长区域的光，其中光纤的传输损耗最小）。

几十年来，科学家一直在寻求发明类似的放大器，可以在光子芯片上工作。然而，开发这种芯片级放大器的尝试导致，对于许多实际应用来说，输出功率通常小于1毫瓦的器件太弱，这主要是由于用于在芯片内部布线光的波导的损耗。这些放大器通常也有较大的足迹，其制造与当代光子集成电路制造技术不兼容。

现在，研究人员开发了一种芯片级掺铒光纤放大器。在输入功率仅为2.61兆瓦、小信号增益超过30分贝的情况下，新设备的输出功率超过145毫瓦，创历史新高。这导致在连续运行的电信频带中放大了1000倍以上，这一性能已经与商用高端掺铒光纤放大器相当。

“这项工作最令人兴奋的部分是放大器的工作性能，它们与商业放大器不相上下，尽管每个维度只有几百微米宽，”研究资深作者Tobias Kippenberg说，他是瑞士洛桑联邦理工学院的光学工程师，“几年前，实现这种放大器性能似乎是不可能的。”

此外，研究人员将该设备长达半米的掺铒波导封装成一个螺旋形，其足迹测量值仅为1.2毫米×3.6毫米。该装置还具有大约60%的高功率转换效率。这种新器件的关键是基于氮化硅的超低损耗芯片级光子波导，氮化硅是一种已经广泛应用于半导体工业的材料。最近，Kippenberg和他的同事制作了长达米的超低损耗氮化硅波导。这使他们研究了在这种波导中注入铒是否会产生光放大器。

Kippenberg说：“铒离子可以提供光的放大，但只能非常微弱。只有当它们嵌入损耗非常低的光纤中，并且当它们与光进行很长距离（通常为米长）的相互作用时，才能实现增益。”

在实验中，研究人员表明他们可以将被称为 soliton microcombs 的设备的输出功率提高100 倍。soliton microcombs 可用于光谱学、计量学和其他应用，但它们的输出功率仅限于几十到几百微瓦，几乎在所有应用中都需要放大。

科学家们还透露，他们的设备可以直接放大20多个波分多路复用通道，用于1公里长的光纤链路上的数据传输。这表明它可以用于电信网络的芯片级放大。

研究人员指出，他们的光放大器仍然需要一个远离微芯片的泵浦激光器。因此，整个装置尚未整合在一起。Kippenberg说：“这是我们未来需要通过混合集成解决的关键缺陷。”

最终，科学家们希望他们的光放大器能够帮助实现芯片级的锁模激光器，产生仅为万亿分之一秒（又称飞秒）长的脉冲。这项研究的主要作者、瑞士洛桑联邦理工学院的光学工程师Yang Liu表示，这种设备可能有多种用途，例如激光雷达。

Kippenberg说：“飞秒锁模激光器显然是一个圣杯，也是我们现在关注的目标。”

审核编辑：彭静