Llenar el vacío en la tecnología de amplificación óptica de bajo ruido de chips fotónicos integrados, con una potencia óptica en el chip superior a 140 mW

"Por primera vez, logramos más de 145 milivatios (>145 mW) de potencia de salida óptica continua en un chip en un amplificador de guía de ondas dopado con erbio basado en un chip fotónico integrado, que es de dos órdenes de magnitud. más alto que los dispositivos informados, además, se logra una ganancia óptica continua en el chip de más de 30 dB en un área del chip de varios milímetros cuadrados, lo que equivale a amplificar la señal de entrada 1000 veces y también satisface las necesidades de. Aplicaciones de comunicación óptica en banda C y algunas en banda L.

El equipo de Tobias J. Kippenberg, profesor de física en la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suiza, dijo

Los resultados de los que están hablando se publicaron recientemente. En un artículo publicado en Science [1], el equipo de investigación utilizó la implantación de iones de erbio de alta energía para dopar guías de ondas ópticas integradas con nitruro de silicio de pérdida ultrabaja hasta una longitud de 1 0,5 metros En 1991, el profesor Alberto Polman de los Laboratorios Bell de Estados Unidos (ahora Instituto Nacional de Investigación Atómica y Molecular de los Países Bajos) verificó esta tecnología de implantación de iones de tierras raras en materiales de película delgada. a 0,3% de concentración, al tiempo que garantiza la uniformidad del dopaje de iones. El coeficiente de superposición entre la distribución de iones de erbio y el campo del modo óptico es tan alto como 50%, lo que tiene ventajas obvias en comparación con otros métodos de dopaje de iones de tierras raras. >

Después del recocido a alta temperatura, la guía de ondas implantada con iones aún puede mantener una pérdida de luz de fondo ultrabaja de menos de 5 dB por metro, lo que equivale a menos del 50% de la pérdida de fondo de la señal óptica en Una guía de ondas óptica de 1 metro de largo. El equipo de investigación utilizó una longitud de onda de 1480 nm. La luz de la bomba (aproximadamente 245 mW) logra una eficiencia máxima de conversión de energía óptica en el chip de casi el 60%. El rendimiento de amplificación del dispositivo no solo es comparable al rendimiento de ganancia de los amplificadores ópticos semiconductores integrados heterogéneos basados ​​en silicio de última generación, sino que también alcanzó el nivel de algunos amplificadores comerciales de fibra dopada con erbio. tecnología de implantación selectiva de iones, que demuestra la viabilidad de definir arbitrariamente áreas dopadas con erbio en el chip para preparar un dispositivo pasivo. Los dispositivos funcionales implementan simultáneamente unidades de ganancia óptica y dispositivos funcionales pasivos de baja pérdida en el mismo chip fotónico integrado, proporcionando una base técnica para la realización de chips fotónicos activos integrados monolíticos complejos y de gran escala

Una aplicación inmediata es la realización de amplificadores ópticos de guía de ondas extremadamente compactos y de alto rendimiento para reemplazar los amplificadores de fibra de mesa en ciertas aplicaciones donde el tamaño y el peso del dispositivo. son sensibles, como centros de datos, equipos móviles y equipos aéreos y aéreos.

Además, el dispositivo también se puede integrar con otros dispositivos funcionales fotónicos en el mismo chip fotónico para lograr una mayor complejidad. y dispositivos y sistemas funcionales altamente integrados, como láseres de bajo ruido, láseres de longitud de onda sintonizables y motores de radar fotónicos para satisfacer las necesidades de investigación y aplicación en campos importantes como las comunicaciones ópticas, la fotónica de microondas integrada y el almacenamiento de información cuántica.

Entre ellos, el becario postdoctoral del equipo, el Dr. Liu Yang, el estudiante de doctorado Qiu Zheru y el estudiante de doctorado Ji Xinru son los autores del artículo. Los autores principales son dos ex colegas de la EPFL, el Dr. He Jijun, ahora en la Universidad de Nanjing; En este trabajo también participaron Aeronáutica y Astronáutica, y el Dr. Liu Junqiu, ahora en el Instituto Cuántico Internacional de Shenzhen.

Después de la publicación de este artículo, titulado "Amplificador dopado con erbio basado en circuitos integrados fotónicos", también fue destacado por la revista Science [2].

Problemas por resolver: lograr una amplificación de señales ópticas de alto rendimiento y baja diafonía en chips fotónicos integrados

Se informa que, como dispositivo que puede amplificar directamente señales ópticas débiles, Los amplificadores de fibra dopados con erbio se utilizan ampliamente en redes de comunicación de fibra óptica de larga distancia y en varios láseres de fibra. Los amplificadores de fibra dopada con erbio se obtienen inyectando iones de erbio (Er) del elemento de tierras raras en el núcleo de la fibra, de modo que puedan amplificar directamente la señal óptica en la banda de comunicación bajo la excitación de la fuente de luz de la bomba.

En las últimas dos décadas, la tecnología de chips fotónicos integrados se ha desarrollado rápidamente, reduciendo en gran medida el tamaño y el consumo de energía de los equipos de procesamiento de señales fotónicas. Sin embargo, lograr una amplificación de señal óptica de alto rendimiento y baja diafonía en chips fotónicos integrados siempre ha sido un problema difícil que debe resolverse.

El equipo de investigación inyectó directamente iones de erbio de alta concentración en el chip fotónico integrado para realizar un amplificador de guía de ondas ópticas integrado. Por primera vez, logró un rendimiento equivalente al de un amplificador de fibra comercial, resolviendo el problema. de integrar amplificadores ópticos de alta potencia y láseres de bajo ruido y láseres de modo bloqueado de alta potencia de pulso y otros dispositivos fotónicos importantes.

Los antecedentes de esta investigación comenzaron en la década de 1980. En ese momento, el experto en fotónica de renombre internacional Sir D. N. Payne del Centro de Optoelectrónica de la Universidad de Southampton en el Reino Unido, y el físico Emmanuel Desurvire de los Laboratorios Bell en los Estados Unidos inventaron el amplificador de fibra dopada con erbio, que es un sistema de comunicación por fibra óptica. avance tecnológico.

La tecnología de fibra óptica inventada por Kun Kao, físico chino-estadounidense y ganador del Premio Nobel de Física, sentó las bases de las comunicaciones ópticas. Sin embargo, sólo después de que los amplificadores de fibra óptica reemplazaron a los repetidores eléctricos tradicionales de rendimiento limitado, la tecnología de comunicación óptica se desarrolló rápidamente y las personas pudieron comunicarse con el mundo a través de redes de comunicación de fibra óptica transoceánicas de larga distancia en todo el mundo.

Los iones de tierras raras como el erbio, el iterbio y el tulio tienen una estructura electrónica única de capa 4f, lo que hace que su estado excitado dure en el material huésped hasta varios milisegundos, lo que favorece la realización de la inversión del número de partículas. y la realización de amplificación de señales luminosas. Al mismo tiempo, la vida útil del estado excitado a nivel de milisegundos reduce en gran medida la diafonía entre señales ópticas de diferentes longitudes de onda, lo que permite la amplificación de señales ópticas de múltiples longitudes de onda en un solo amplificador, aumentando así en gran medida la capacidad del canal.

Hoy en día, la figura de ruido de los amplificadores de fibra comerciales está muy cerca del límite de rendimiento de ruido (3 dB) de la amplificación óptica no sensible a la fase determinado por la mecánica cuántica. Con estas características, los amplificadores de fibra basados ​​en dopaje con iones de tierras raras se han convertido en un medio de ganancia ideal en la tecnología de comunicaciones ópticas.

Además, los amplificadores de fibra desempeñan un papel vital en casi todas las aplicaciones de láser de fibra, como la detección de fibra, la medición de frecuencia, el lidar, el procesamiento láser, etc. En el reloj atómico más preciso del mundo, el peine de frecuencia óptica, un componente clave utilizado para convertir frecuencias ópticas en radiofrecuencias, también utiliza amplificadores de fibra basados ​​en dopaje con iones de tierras raras.

Debido a las ventajas de rendimiento de los amplificadores de fibra de iones de tierras raras y su gran éxito en las aplicaciones, la realización de amplificadores de guía de ondas basados ​​en iones de tierras raras en chips fotónicos integrados se ha convertido naturalmente en un importante objetivo de investigación, lo cual es muy importante. para la fotónica integrada El desarrollo es de gran importancia y puede llenar el vacío en la tecnología de amplificación óptica de bajo ruido de los chips fotónicos integrados.

Durante los últimos 30 años, muchos grupos de todo el mundo han intentado desarrollar amplificadores de guías de ondas dopados con iones de tierras raras. Por ejemplo, en la década de 1990, Bell Labs llevó a cabo una investigación pionera sobre amplificadores de guía de ondas dopados con erbio. Sin embargo, debido al gran tamaño y la alta pérdida de los dispositivos de guía de ondas de vidrio de bajo índice de refracción utilizados en ese momento, no eran compatibles. La moderna tecnología de microprocesamiento de chips fotónicos integrados era incompatible, por lo que la investigación se abandonó progresivamente.

En la última década, el rápido desarrollo de la fotónica integrada y la mejora continua de la tecnología de procesamiento de dispositivos han reavivado el interés de los investigadores en realizar amplificadores de guía de ondas dopados con erbio en las principales plataformas de materiales fotónicos integrados. Se han preparado amplificadores de litio con óxido de aluminio dopado con erbio y óxido de niobio dopado con erbio.

Sin embargo, se ha informado que los amplificadores basados ​​en guías de ondas fotónicas integradas tienen potencias de salida muy por debajo de 1 milivatio (