En Arizona State University-forskare har gjort ett annat genombrott med sällsynt jordartsmetallerbium som förstärkningsmaterial för en optisk förstärkare, denna gång med en prestation som kommer att möjliggöra användningen av den för första gången med optisk teknik med små chip. Upptäckten uppnår ett decennier långt mål inom fotonisk integration, där olika små optiska komponenter är tätt kombinerade för bättre prestanda och enkel tillverkning.

Detaljer om den nya optiska förstärkningen, "Jätte optisk förstärkning i en enkelkristall erbiumkloridsilikat nanotråd, "publicerades i juliutgåvan av Nature Photonics .

Cun-Zheng Ning, en ASU-professor i elektroteknik, och Hao Sun från Kinas Tsinghua -universitet, och deras team har lyckats höja erbiums optiska förstärkning från den typiska låga nivån på några dB till över 100 dB per centimeter förökning. Den betydande ökningen av optisk förstärkning gör det möjligt för erbiumbaserade material att integreras på ett chip för optiska förstärkare och lasrar.

Under 2011, Ning ledde ett team som upptäckte just det erbiumsilikatsaltet, utvecklad som en nanotråd med en smalare profil, kan vara en utmärkt kandidat som ett fotonikförstärkningsmaterial - det tillåter ingenjörer att packa upp till 1, 000 gånger mer erbium i optiska förstärkare, lasrar, kvantinformationsanordningar, switchar och solceller.

Erbium är viktigt för många applikationer, särskilt som en optisk förstärkare begravd tillsammans med optiska fibrer för kommunikation över och mellan kontinenter. Den erbium-dopade förstärkaren är en oersättlig teknik i ett sådant fjärrkommunikationssystem.

Forskare och ingenjörer har försökt replikera framgången med signalförstärkning av erbium på mindre plattform, till exempel på ett litet chip i ett integrerat fotoniskt system. Nings nya forskning löser problemet att mängden amplifiering i en typisk erbiumdopad fiber är för liten, och den önskade längden är för lång, för integration i chipskala.

Även om det tog flera år sedan upptäckten av erbium nanotrådsteknologin, Ning, Sun och deras team kunde utföra ett delikat experiment på en enda nanotråd som avslöjade den inneboende absorptionskoefficienten. Denna process gjorde att materialabsorptionen kunde mätas exakt för första gången, och därefter fastställa den extremt höga optiska förstärkningen, cirka två storleksordningar högre än tidigare rapporterade erbiummaterial.

"Vi är glada över att vi äntligen kunde fastställa den stora optiska vinst som vi hade förutspått i flera år baserat på andra mätningar vi har gjort, "sa Ning." Baserat på denna nya enkristalliga nanotrådsteknik, vårt nästa mål är att integrera flera enheter på en kiselplattform för integrerade fotoniska kretsar."

"Nästa steg är att demonstrera en verklig optisk enhet som en optisk förstärkare eller en laser baserat på den etablerade höga optiska förstärkningen, sa Sun.