Nature｜光子芯片，把光放大

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Tobias J. Kippenberg教授团队以“A photonic integrated continuous-travelling-wave parametric amplifier”为题在Nature阐述其最新研究成果——一种能够实现连续波长，净增益放大输入光信号的光参量放大器。

硅的限制与突破性的光子芯片

光参量放大器：通过改变传输系统中电容或光学材料的折射率特性，利用光纤和波导的三阶非线性也可以实现光信号放大。

尽管基于光纤的光学参量放大器具有十分诱人的前景，但由于二氧化硅的弱克尔非线性导致其所需的泵浦功率非常高，使得放大器结构变得异常复杂。相比之下，在过去的二十年中，集成光子平台如氮化硅(Si₃N₄)、AlGaAs、GaP、钽和硫族化物，在克尔非线性增强方面已取得了显著的成果。但是，由于净增益只能通过使用脉冲光泵克服波导材料损耗来实现。因此，基于三阶非线性的连续行波光参量放大器，放大任意波长输入信号的能力还没有被证实。

研究内容

鉴于此，Kippenberg教授团队通过开发一种基于在连续状态下运行的光子集成电路的行波放大器来应对这一挑战。研究团队将长为2 m的低损氮化硅螺旋线集成在一片3×5 mm的晶圆上，以形成超低损耗高集成度氮化硅光参量放大器。

图2：光参量放大器

图源：Nature 612, 56–61 (2022), Fig 1

为验证制作的光参量放大器的性能，研究人员在信号波长范围为1260 nm~1630 nm内，测量光参量放大器波导材料的透射光谱、色散分布和损耗等参数，实验装置图如图3所示。

图3：测试光路

图源：Nature 612, 56–61 (2022), Fig 2

实验结果表明，在氮化硅波导螺旋中，整个测试芯片总损耗低至10 dB，并且，信号实现增益的全带宽达到20 nm。数据显示，即使在考虑芯片上光传播损耗和光纤-芯片-光纤耦合损耗的情况下，整个系统也实现了高达2 dB的净参数增益。

Kippenberg教授表示 “这种放大器的应用领域近乎是无限的。可以将放大信号扩展到电信波段以外，中红外或可见光；到激光雷达或其他用于探测、感知经典或量子信号的应用。”Riemensberger博士（本篇论文一作）表示：“这一成果是十多年非线性光子学和低损耗波导研究成果的集大成者。”