En erbiumdopad vågledarförstärkare på ett fotoniskt integrerat chip i storleken 1X1 cm2, med grön emission från exciterade erbiumjoner. Kredit:EPFL Laboratory of Photonics and Quantum Measurements (LPQM)/Niels Ackermann.
Erbiumdopade fiberförstärkare (EDFA) är enheter som kan ge förstärkning till den optiska signaleffekten i optiska fibrer. De används ofta i fiberoptiska kablar för långdistanskommunikation och fiberbaserade lasrar. Uppfanns på 1980-talet, EDFA:er har djupt påverkat vårt informationssamhälle och gjort det möjligt för signaler att dirigeras över Atlanten och ersätta elektriska repeatrar.
Det som är intressant med erbiumjoner i optisk kommunikation är att de kan förstärka ljus i 1,55 mm våglängdsområdet, vilket är där kiseldioxidbaserade optiska fibrer har den lägsta transmissionsförlusten. Den unika elektroniska intra-4-f-skalstrukturen av erbium – och sällsynta jordartsmetalljoner i allmänhet – möjliggör långlivade exciterade tillstånd när de doppas inuti värdmaterial som glas. Detta ger ett idealiskt förstärkningsmedium för samtidig förstärkning av flera informationsbärande kanaler, med försumbar överhörning, hög temperaturstabilitet och lågt brus.
Optisk förstärkning används också i praktiskt taget alla laserapplikationer, från fiberavkänning och frekvensmätning, till industriella applikationer inklusive laserbearbetning och LiDAR. Idag har optiska förstärkare baserade på joner av sällsynta jordartsmetaller blivit arbetshästen för optiska frekvenskammar, som används för att skapa världens mest exakta atomur.
Att uppnå ljusförstärkning med joner av sällsynta jordartsmetaller i fotoniska integrerade kretsar kan transformera integrerad fotonik. På 1990-talet tittade Bell Laboratories på erbiumdopade vågledarförstärkare (EDWA), men övergav dem till slut eftersom deras förstärkning och uteffekt inte kunde matcha fiberbaserade förstärkare, medan deras tillverkning inte fungerar med samtida tillverkningstekniker för fotonisk integration.
Även med den senaste ökningen av integrerad fotonik har förnyade ansträngningar på EDWA:er bara kunnat uppnå mindre än 1 mW uteffekt, vilket inte räcker för många praktiska tillämpningar. Problemet här har varit hög vågledarbakgrundsförlust, hög kooperativ uppkonvertering – en förstärkningsbegränsande faktor vid hög erbiumkoncentration, eller den långvariga utmaningen med att uppnå vågledarlängder i meterskala i kompakta fotoniska chips.
Nu har forskare vid EPFL, med professor Tobias J. Kippenberg i spetsen, byggt en EDWA baserad på kiselnitrid (Si3 N4 ) fotoniska integrerade kretsar med en längd upp till en halv meter på ett fotavtryck i millimeterskala, som genererar en rekorduteffekt på mer än 145 mW och ger en liten nettoförstärkning över 30 dB, vilket översätts till över 1000-faldig förstärkning i telekommunikationsband i kontinuerlig drift. Denna prestanda matchar de kommersiella, avancerade EDFA:er, såväl som toppmoderna heterogent integrerade III-V-halvledarförstärkare i kiselfotonik.
"Vi övervann den långvariga utmaningen genom att applicera jonimplantation - en process i wafer-skala som drar nytta av mycket låg samverkande uppkonvertering även vid en mycket hög jonkoncentration - till de integrerade fotoniska kretsarna av kiselnitrid med ultralåg förlust", säger Dr. Yang Liu, en forskare i Kippenbergs labb och huvudforskaren för studien publicerad i Science .
"Detta tillvägagångssätt tillåter oss att uppnå låga förluster, hög erbiumkoncentration och en stor modjonöverlappningsfaktor i kompakta vågledare med längder i meterskala, som tidigare har varit olösta i årtionden", säger Zheru Qiu, en Ph.D. student och medförfattare till studien.
"Att arbeta med hög uteffekt och hög förstärkning är inte bara en akademisk prestation; i själva verket är det avgörande för den praktiska driften av alla förstärkare, eftersom det innebär att alla insignaler kan nå de effektnivåer som är tillräckliga för långdistans höga -hastighetsdataöverföring och skottbrusbegränsad detektering; det signalerar också att femtosekundslasrar med hög pulsenergi på ett chip äntligen kan bli möjliga med detta tillvägagångssätt, säger Kippenberg.
Genombrottet signalerar en renässans av joner av sällsynta jordartsmetaller som livskraftiga förstärkningsmedia i integrerad fotonik, eftersom tillämpningar av EDWA är praktiskt taget obegränsade, från optisk kommunikation och LiDAR för autonom körning, till kvantavkänning och minnen för stora kvantnätverk. Det förväntas utlösa uppföljningsstudier som täcker ännu fler sällsynta jordartsmetalljoner, och erbjuder optisk förstärkning från den synliga upp till den mittinfraröda delen av spektrumet och ännu högre uteffekt. + Utforska vidare
