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研究背景
放大光信號(hào)的能力在整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域至關(guān)重要，通常使用稀土摻雜光纖或基于III-V半導(dǎo)體的增益介質(zhì)。摻鉺光纖放大器(EDFAs)的發(fā)明取代了電信號(hào)再生，使光信號(hào)能夠傳播超過(guò)12000 km，從而徹底改變了光通信，實(shí)現(xiàn)了低成本通信帶寬的大幅增長(zhǎng)。放大光信號(hào)的另一個(gè)物理過(guò)程是利用光纖的克爾非線性實(shí)現(xiàn)參數(shù)相互作用。目前，已有開(kāi)創(chuàng)性的工作展示了光纖中的連續(xù)波凈增益行波參量放大，例如，相位敏感(即無(wú)噪聲)放大、鏈路跨度增加、信號(hào)再生和非線性相位噪聲抑制。
關(guān)鍵問(wèn)題
盡管取得了巨大進(jìn)展，光放大技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在以下問(wèn)題：所有基于光子集成電路的凈參數(shù)增益演示都需要脈沖激光器，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。2、尚未實(shí)現(xiàn)光放大與光子電路的集成到目前為止，只有批量微加工的周期性極化鈮酸鋰(PPLN)波導(dǎo)芯片實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波增益，但尚未顯示其與基于硅晶片的光子電路的集成。盡管在基于光纖的TWPAs中實(shí)現(xiàn)了凈連續(xù)和寬帶增益的這些承諾和開(kāi)拓性成就，但是由于低克爾有效非線性和光纖的制造公差，其使用受到了嚴(yán)重的限制。4、基于集成光子線路的光域連續(xù)波TWPA尚未被證明基于集成光子線路的光域連續(xù)波TWPA，利用三階非線性，能夠放大任意時(shí)間輸入信號(hào)，尚未被證明。盡管時(shí)間連續(xù)和頻譜連續(xù)的行波放大對(duì)于成功實(shí)施放大器技術(shù)至關(guān)重要，具有連續(xù)凈增益的基于光子集成電路的TWPAs仍遙不可及。
新思路
有鑒于此，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Tobias J. Kippenberg等人展示了一個(gè)基于光子集成電路的行波光參量放大器，在連續(xù)波范圍內(nèi)具有凈信號(hào)增益。在尺寸為5×5 mm2的硅芯片上使用超低損耗、色散工程、一米長(zhǎng)的Si3N4光子集成電路，實(shí)現(xiàn)了12 dB的連續(xù)參數(shù)增益，超過(guò)了電信C波段的片上光傳播損耗和光纖-芯片-光纖耦合損耗。本工作展示了基于光子集成電路的參量放大器的潛力，這種放大器具有光刻控制的增益譜、緊湊的尺寸、對(duì)光反饋的彈性和量子限制的性能，并且可以在從可見(jiàn)光到中紅外的波長(zhǎng)范圍內(nèi)以及常規(guī)稀土放大帶之外工作。作者展示了參量放大器的一般原理，通過(guò)波導(dǎo)設(shè)計(jì)模擬證實(shí)超過(guò)10 THz的放大帶寬是可能的，并表征了基于Si3N4光子芯片測(cè)試的光傳輸特征。2、開(kāi)發(fā)了參量放大器和頻率轉(zhuǎn)換裝置作者展示了測(cè)量參量增益和頻率轉(zhuǎn)換效率的實(shí)驗(yàn)裝置，首次在光子芯片上實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2 dB的凈參數(shù)增益，，利用文獻(xiàn)報(bào)道的參數(shù)，本工作的數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)了12 dB的峰值增益，與測(cè)量值非常一致。通過(guò)泵浦激光器的快速調(diào)制來(lái)測(cè)量參量增益，證實(shí)了在所使用的任何光功率水平下，都沒(méi)有觀察到泵浦傳輸?shù)慕档汀⒘吭鲆婺軌蜓a(bǔ)償光子芯片的總損耗，包括光纖到芯片的耦合。1、首次提出了一種基于光子集成電路的連續(xù)凈增益雙光子晶體放大器通過(guò)在緊湊的5mm×5mm硅片上使用色散工程、超低損耗、2m長(zhǎng)Si3N4集成波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)凈增益雙光子晶體放大器。2、開(kāi)發(fā)了兼容性極強(qiáng)的Si3N4集成波導(dǎo)該工作基于超低損耗、色散工程、非線性Si3N4集成波導(dǎo)，化學(xué)計(jì)量的Si3N4可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積法沉積，并與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體兼容。3、實(shí)現(xiàn)了緊湊的、一米長(zhǎng)的基于光子集成電路的螺旋波導(dǎo)作者基于集成光子學(xué)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了緊湊的、一米長(zhǎng)的基于光子集成電路的螺旋波導(dǎo)，具有均勻和工程化的色散，無(wú)需低占空比泵浦或諧振增強(qiáng)，就可以實(shí)現(xiàn)有效的參量產(chǎn)生和放大。4、實(shí)現(xiàn)了連續(xù)參數(shù)增益在尺Si3N4光子集成電路，實(shí)現(xiàn)了12 dB的連續(xù)參數(shù)增益，超過(guò)了電信C波段的片上光傳播損耗和光纖-芯片-光纖耦合損耗。
技術(shù)細(xì)節(jié)
單泵浦參量放大可以使用波導(dǎo)模式的頻域模型來(lái)描述，波導(dǎo)模式通過(guò)光學(xué)克爾效應(yīng)介導(dǎo)的非線性簡(jiǎn)并四波混頻來(lái)耦合，作者展示了其一般原理。信號(hào)和強(qiáng)泵浦組合并耦合到光波導(dǎo)中，其中功率通過(guò)簡(jiǎn)并四波混頻從泵浦傳輸?shù)叫盘?hào)。波導(dǎo)中參量相互作用的相干特性要求滿足嚴(yán)格的相位匹配條件，以便有效放大。經(jīng)過(guò)分析，基于光纖和基于波導(dǎo)的TWOPA系統(tǒng)都可以提供大大超過(guò)稀土摻雜光纖放大器的放大帶寬，作者通過(guò)波導(dǎo)設(shè)計(jì)模擬放大帶寬，證實(shí)超過(guò)10 THz的放大帶寬成為可能。作者基于Si3N4光子芯片測(cè)試的光傳輸特征與波導(dǎo)橫截面的有限元模擬結(jié)果非常一致。圖 基于光子集成電路的連續(xù)行波光參量放大器原理作者展示了測(cè)量參量增益和頻率轉(zhuǎn)換效率的實(shí)驗(yàn)裝置。模擬表明，基于光子電路的光參量放大器的1 dB增益壓縮點(diǎn)高達(dá)250 mW。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，作者首次在光子芯片上實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2 dB的凈參數(shù)增益，同時(shí)考慮了片上光傳播損耗和光纖-芯片-光纖耦合損耗。此外，在高達(dá)7 W的輸入功率水平下，沒(méi)有觀察到波導(dǎo)和耦合腔面的損壞。在沒(méi)有任何用于受激布里淵散射的緩解技術(shù)的情況下，該增益和功率水平得以維持。利用文獻(xiàn)報(bào)道的參數(shù)，本工作的數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)了12 dB的峰值增益，與測(cè)量值非常一致。圖 基于光子芯片的連續(xù)行波光參量放大器和頻率轉(zhuǎn)換泵浦激光器的快速調(diào)制測(cè)量參量增益通過(guò)泵浦激光器的快速調(diào)制來(lái)測(cè)量參量增益。在以50%的占空比放大之前，用50 MHz的方波調(diào)制泵浦激光振幅。由光學(xué)克爾效應(yīng)介導(dǎo)的參量放大的瞬時(shí)性質(zhì)將泵浦調(diào)制直接印在放大的信號(hào)和產(chǎn)生的閑頻信號(hào)上。結(jié)果表明，在所使用的任何光功率水平下，都沒(méi)有觀察到泵浦傳輸?shù)慕档汀⒘吭鲆婺軌蜓a(bǔ)償光子芯片的總損耗，包括光纖到芯片的耦合。圖 使用泵浦調(diào)制的參量增益測(cè)量
展望
總之，作者首次提出了一種基于光子集成電路的連續(xù)凈增益雙光子晶體放大器。使用晶片級(jí)、大批量制造技術(shù)以及將這種放大器與現(xiàn)有的鑄造級(jí)光子集成電路集成，能夠達(dá)到基于連續(xù)行波凈增益光子集成電路的放大器的范圍，這意味著這種放大器可以與大范圍的現(xiàn)有集成光子器件和應(yīng)用集成。這種基于集成光子學(xué)的雙光子晶體將由高功率半導(dǎo)體激光器直接泵浦，具有固有的單向、高增益、寬帶、時(shí)間連續(xù)和光譜連續(xù)以及量子限制噪聲系數(shù)。它們有潛力成為在光纖的全傳輸帶寬上運(yùn)行的下一代光通信系統(tǒng)的理想候選者。Riemensberger, J., Kuznetsov, N., Liu, J. et al. A photonic integrated continuous-travelling-wave parametric amplifier. Nature 612, 56–61 (2022).DOI：10.1038/s41586-022-05329-1https://doi.org/10.1038/s41586-022-05329-1
