光参量放大器的进化潜力有望通向通信技术的新时代

本研究中使用的光子集成电路。资料来源：Tobias Kippenberg（EPFL），CC BY 4.0

光放大在几乎所有基于激光的技术中都发挥着关键作用，如光通信（用于数据中心，通过跨洋光纤链路在服务器之间和大陆之间进行通信），以及相干调频连续波（FMCW）LiDAR等测距应用--这是一项新兴技术，可以比以往更远、更快、更精确地探测和跟踪物体。今天，基于铒等稀土离子以及III-V族半导体的光放大器被广泛用于现实世界的应用。

这两种方法都是基于光学转换的放大。但还有另一种光学信号放大的模式：光参量放大器，它通过改变一个小的系统"参数"，如传输线的电容或非线性来实现信号放大。

自80年代以来，人们已经知道，包含光纤的内在非线性也可以被利用来创造行波光参量放大器，其增益与原子或半导体转换无关，这意味着它可以是宽频带的，几乎覆盖任何波长。

光参量放大器也不会受到最小输入信号的影响，这意味着它们可以在一次设置中同时放大最微弱的信号和大输入功率。最后，增益光谱可以通过波导几何优化和色散工程来定制，这为目标波长和应用提供了巨大的设计灵活性。

最耐人寻味的是，光参量增益可以在传统半导体或掺稀土光纤无法企及的不寻常波段得到，参量放大在本质上是有量子限制的，甚至可以实现无噪音的放大。

尽管光纤中的光参量放大器具有吸引人的特点，但由于二氧化硅的弱克尔非线性，它们对泵浦功率的要求非常高。在过去的20年里，集成光子平台的进步使有效的克尔非线性得到了明显的增强，这在硅纤维中是无法实现的，但通信行业还没有实现连续波操作的放大器。

"在连续波系统中运行不是一个单纯的'学术成就'，"EPFL的光子学和量子测量实验室负责人Tobias Kippenberg教授说。"事实上，它对任何放大器的实际操作都至关重要，因为它意味着任何输入信号都可以被放大--例如，光学编码的信息、来自LiDAR和传感器的信号等。时间和频谱连续的行波放大对于现代光通信系统中的放大器技术的成功实施以及光学传感和测距的新兴应用来说是至关重要的。"

由Kippenberg小组的Johann Riemensberger博士领导的一项新研究现在已经解决了这一挑战，开发了一个基于光子集成电路的行波放大器，在连续系统中运行。"Riemensberger说："我们的成果是十多年来在集成非线性光子学和追求更低的波导损耗方面的研究努力的结晶。

研究人员使用了一个超过两米长的超低损耗氮化硅光子集成电路，在一个3×5平方毫米的光子芯片上建立了第一个行波放大器。该芯片在连续体制下工作，在电信波段提供7dB的片上净增益和2dB的光纤到光纤净增益。最近，查尔姆斯大学的Victor Torres-Company和Peter Andrekson小组也在氮化硅中实现了片上净增益参数放大功能。

在未来，该团队可以使用精确的光刻控制来优化波导色散，使参数增益带宽超过200纳米。由于氮化硅的基本吸收损耗非常低（约0.15 dB/米），进一步的制造优化可以使芯片的最大参数增益超过70 dB，只需750 mW的泵浦功率，超过最好的光纤放大器的性能。

"这种放大器的应用领域是无限的，"Kippenberg说。"从可以将信号扩展到典型电信频段之外的光通信，到中红外或可见光激光和信号放大，再到LiDAR或其他应用，其中激光被用来探测、感应和询问经典或量子信号。"