Fotonisk integrerede erbium-doterede forstærkere opnår kommerciel ydeevne

Erbium-dopede fiberforstærkere (EDFA'er) er enheder, der kan give forstærkning til den optiske signalstyrke i optiske fibre. De bruges ofte i fiberoptiske kabler til langdistancekommunikation og fiberbaserede lasere. Opfundet i 1980'erne har EDFA'er dybt påvirket vores informationssamfund, hvilket gør det muligt at dirigere signaler over Atlanten og erstatte elektriske repeatere.

Det interessante ved erbiumioner i optisk kommunikation er, at de kan forstærke lys i 1,55 mm bølgelængdeområdet, som er der, hvor silicabaserede optiske fibre har det laveste transmissionstab. Den unikke elektroniske intra-4-f-skalstruktur af erbium - og sjældne jordarters ioner generelt - muliggør ophidsede tilstande med lang levetid, når de doperes inde i værtsmaterialer såsom glas. Dette giver et ideelt forstærkningsmedium til samtidig forstærkning af flere informationsbærende kanaler med ubetydelig krydstale, høj temperaturstabilitet og lav støj.

Optisk forstærkning bruges også i stort set alle laserapplikationer, fra fiberregistrering og frekvensmetrologi til industrielle applikationer, herunder laserbearbejdning og LiDAR. I dag er optiske forstærkere baseret på sjældne jordarters ioner blevet arbejdshesten for optiske frekvenskamme, som bruges til at skabe verdens mest præcise atomure.

At opnå lysforstærkning med sjældne jordarters ioner i fotoniske integrerede kredsløb kan transformere integreret fotonik. I 1990'erne undersøgte Bell Laboratories erbium-dopede bølgelederforstærkere (EDWA'er), men opgav dem i sidste ende, fordi deres forstærknings- og udgangseffekt ikke kunne matche fiberbaserede forstærkere, mens deres fremstilling ikke fungerer med moderne fotoniske integrationsfremstillingsteknikker.

Selv med den seneste stigning i integreret fotonik har fornyet indsats på EDWA'er kun været i stand til at opnå mindre end 1 mW udgangseffekt, hvilket ikke er nok til mange praktiske anvendelser. Problemet her har været højt bølgelederbaggrundstab, høj kooperativ opkonvertering – en forstærkningsbegrænsende faktor ved høj erbiumkoncentration eller den langvarige udfordring med at opnå meterskala bølgelederlængder i kompakte fotoniske chips.

Nu har forskere ved EPFL, ledet af professor Tobias J. Kippenberg, bygget en EDWA baseret på siliciumnitrid (Si₃ N₄ ) fotoniske integrerede kredsløb med en længde på op til en halv meter på et millimeterskala-fodaftryk, der genererer en rekordudgangseffekt på mere end 145 mW og giver en lille-signal nettoforstærkning over 30 dB, hvilket oversættes til over 1000 gange forstærkning i telekommunikationsbånd i kontinuerlig drift. Denne ydeevne matcher de kommercielle, avancerede EDFA'er såvel som avancerede heterogent integrerede III-V halvlederforstærkere i siliciumfotonik.

"Vi overvandt den langvarige udfordring ved at anvende ionimplantation - en proces i waferskala, der drager fordel af meget lav kooperativ opkonvertering selv ved en meget høj ionkoncentration - til de integrerede fotoniske kredsløb af siliciumnitrid med ultralavt tab," siger Dr. Yang Liu, en forsker i Kippenbergs laboratorium og ledende videnskabsmand for undersøgelsen offentliggjort i Science .

"Denne tilgang giver os mulighed for at opnå lavt tab, høj erbiumkoncentration og en stor mode-ion overlapningsfaktor i kompakte bølgeledere med meterskala længder, som tidligere har været uløste i årtier," siger Zheru Qiu, en Ph.D. studerende og medforfatter til undersøgelsen.

"At arbejde med høj udgangseffekt og høj forstærkning er ikke blot en akademisk præstation; faktisk er det afgørende for den praktiske drift af enhver forstærker, da det indebærer, at alle indgangssignaler kan nå de effektniveauer, der er tilstrækkelige til langdistance høje -hastighedsdatatransmission og skudstøj begrænset detektion; det signalerer også, at femtosekundlasere med høj pulsenergi på en chip endelig kan blive mulige ved at bruge denne tilgang," siger Kippenberg.

Gennembruddet signalerer en renæssance af sjældne jordarters ioner som levedygtige forstærkningsmedier i integreret fotonik, da anvendelser af EDWA'er er praktisk talt ubegrænsede, fra optisk kommunikation og LiDAR til autonom kørsel til kvanteregistrering og hukommelser til store kvantenetværk. Det forventes at udløse opfølgende undersøgelser, der dækker endnu flere sjældne jordarters ioner, og tilbyder optisk forstærkning fra den synlige op til den midt-infrarøde del af spektret og endnu højere udgangseffekt. + Udforsk yderligere

Ny teknologi bygger integrerede fotoniske kredsløb med ultralavt tab