中國科學(xué)家研發(fā)摻鉺波導(dǎo)放大器，片上輸出光功率超140mW

  “我們首次在基于集成光子芯片的摻鉺波導(dǎo)放大器中，實現(xiàn)超過 145 毫瓦(>145mW)的片上連續(xù)光輸出功率，比已報道的器件提高兩個數(shù)量級。并在幾平方毫米的芯片面積上，實現(xiàn)了超過 30 分貝的片上連續(xù)光增益，這相當(dāng)于將輸入信號放大 1000 倍，也能滿足光通信在 C 波段以及部分 L 波段的應(yīng)用需求?！比鹗柯迳Ｂ?lián)邦理工(EPFL，école Polytechnique Fédérale de Lausanne)物理系教授托拜厄斯·J· 基彭伯格(Tobias J. Kippenberg)團隊表示。

圖 | 基于鉺離子注入的氮化硅集成波導(dǎo)光放大器，芯片尺寸為1厘米X1厘米。在泵浦光的激勵下，該波導(dǎo)光放大器產(chǎn)生綠色的熒光

(來源：Laboratory of Photonics and Quantum Measurements (LPQM), EPFL.)

  他們談?wù)摰倪@一成果，正是近期發(fā)表在 Science 的一篇論文[1]。研究中，該團隊在最長達 0.5 米的超低損耗氮化硅集成光波導(dǎo)中，使用了高能鉺離子注入的方法進行摻雜。這種稀土離子注入技術(shù)在 1991 年由當(dāng)時在美國貝爾實驗室的阿爾貝托·波爾曼(Alberto Polman)教授(現(xiàn)任職于荷蘭原子分子國立研究所)在薄膜材料中驗證。該團隊在保證離子摻雜均勻性的同時實現(xiàn)了高達 0.3% 原子摻雜濃度，鉺離子分布與光模場重疊因子高達 50%，相比于其他稀土離子摻雜方式具有明顯的優(yōu)勢。

  高溫退火之后，離子注入后的波導(dǎo)仍然保持了小于 5 分貝每米的超低背景光損耗，相當(dāng)于在 1 米長的光波導(dǎo)中光信號背景損耗小于 50%。課題組使用波長在 1480 納米的泵浦光(約 245 毫瓦)，實現(xiàn)了接近 60% 的最大片上光功率轉(zhuǎn)換效率。

  相關(guān)器件的放大性能，不僅能與最先進的硅基異質(zhì)集成半導(dǎo)體光放大器的增益性能相媲美，還達到了一些部分商用摻鉺光纖放大器的水平。此外，他們還展示了選擇性離子注入技術(shù)，證明了任意定義芯片上鉺摻雜區(qū)域的可行性，借此制備出在同一個集成光子芯片上同時實現(xiàn)光增益單元與低損耗的無源功能器件，為實現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜的單片集成有源光子芯片提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

(來源：Science)

  在應(yīng)用上，其最直接的一個應(yīng)用前景是實現(xiàn)尺寸極緊湊的高性能波導(dǎo)光放大器，在對器件體積和重量敏感的部分應(yīng)用場景中取代臺式光纖放大器，比如在數(shù)據(jù)中心，移動設(shè)備，和機載、星載設(shè)備中。

(來源：Science)

  進一步的，該器件可以與其他片上光子功能器件集成在同一個光子芯片上，實現(xiàn)更復(fù)雜的、集成度更高的功能器件和系統(tǒng)，比如低噪聲激光器、波長可調(diào)激光器、光子雷達引擎等，以滿足光通信、集成微波光子學(xué)、量子信息存儲等重要領(lǐng)域的研究和應(yīng)用需求。

  其中，該團隊的博士后劉陽博士、博士生邱哲儒、博士生紀(jì)歆茹是論文主要作者;兩位 EPFL 前同事——目前就職于南京航空航天大學(xué)的何吉駿博士、和就職于深圳國際量子研究院劉駿秋博士，也參與了該工作。

  論文題為《基于光子集成電路的摻鉺放大器》(A photonic integrated circuit–based erbium-doped amplifier)，發(fā)表之后還得到了 Science 的亮點報道[2]。

圖 | 相關(guān)論文(來源：Science)

  亟待解決的難題：在集成光子芯片中實現(xiàn)高性能、低串?dāng)_的光信號放大

  據(jù)介紹，作為一個可將微弱的光信號直接進行光放大的器件，摻鉺光纖放大器被廣泛用于長距離光纖通信網(wǎng)路和各種光纖激光中。摻鉺光纖放大器的實現(xiàn)，是通過在光纖纖芯中注入了鉺(Er)離子這種稀土元素，使得在泵浦光源的激勵下，可直接對通信波段的光信號進行放大。

  近二十年來，集成光子芯片技術(shù)得到了迅速發(fā)展，也極大降低了光子信號處理器件的尺寸和功耗。然而，一直以來在集成光子芯片中實現(xiàn)高性能、低串?dāng)_的光信號放大，是一個亟待解決的難題。

  而本次團隊將高濃度稀土鉺離子直接注入到集成光子芯片中，實現(xiàn)了集成光波導(dǎo)放大器，首次達到了與商用光纖放大器相當(dāng)?shù)男阅埽鉀Q了實現(xiàn)集成高功率光放大器、低噪聲激光器、高脈沖功率鎖模激光器等重要光子器件的關(guān)鍵難題。

(來源：Science)

  其研究背景要從 20 世紀(jì) 80 年代說起。當(dāng)時，國際著名光子學(xué)專家、英國南安普頓大學(xué)光電子中心的佩恩爵士(Sir D. N. Payne)，以及美國貝爾實驗室的物理學(xué)家埃曼努爾·杜蘇庇爾(Emmanuel Desurvire)等研究人員發(fā)明了摻鉺光纖放大器，它的誕生是光纖通信技術(shù)的革命性突破。

  而華裔物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎得主高錕發(fā)明的光纖，奠定了光通信的基礎(chǔ)。但是，只有在光纖放大器取代了傳統(tǒng)的、性能受限的電中繼器之后，光通信技術(shù)才得到了飛速發(fā)展，人們才能通過遍布全球的長距離、跨洋光纖通信網(wǎng)絡(luò)與世界各地通信交流。

  稀土離子比如鉺、鐿、銩等具有獨特的 4f 殼層電子結(jié)構(gòu)，這讓它們在宿主材料中有長達幾個毫秒的激發(fā)態(tài)壽命，有利于實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而能放大光信號。同時，毫秒級的長激發(fā)態(tài)壽命能大大減低不同波段光信號之間的串?dāng)_，從而能在一個放大器中對處于多個波長的光信號進行放大，進而極大地增加信道容量。

  如今，商用光纖放大器的噪聲系數(shù)，已能非常接近于量子力學(xué)決定的非相敏光放大的極限噪聲性能(3分貝)。憑借這些特性，基于稀土離子摻雜的光纖放大器，成為了光通信技術(shù)中的理想增益介質(zhì)。

  此外，光纖放大器幾乎在所有光纖激光器應(yīng)用中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，例如光纖傳感、頻率計量、激光雷達、激光加工等應(yīng)用。在目前世界上最精確的原子鐘里，光學(xué)頻率梳是用于將光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換為射頻頻率的關(guān)鍵組件，其中也運用了基于稀土離子摻雜的光纖放大器。

  正因為基于稀土離子的光纖放大器的性能優(yōu)勢和在應(yīng)用上的巨大成功，在集成光子芯片上實現(xiàn)基于稀土離子的波導(dǎo)放大器，很自然地成為了一個重要研究目標(biāo)，這將對于集成光子學(xué)的發(fā)展具有相當(dāng)重要的意義，能填補集成光子芯片上低噪聲光放大技術(shù)的空白。

  在過去 30 年里，全球許多團隊都對稀土離子摻雜的波導(dǎo)放大器的研發(fā)做出了嘗試。例如，在 20 世紀(jì) 90 年代，美國貝爾實驗室展開了關(guān)于摻鉺波導(dǎo)放大器的開創(chuàng)性研究，但由于當(dāng)時采用的基于低折射率的玻璃的波導(dǎo)器件受體積大、損耗高，無法與現(xiàn)代集成光子芯片微納加工工藝兼容等限制，相關(guān)研究逐漸相繼停滯。

  近十年來，集成光子學(xué)的快速發(fā)展和器件加工工藝的不斷提升，對在主流集成光子材料平臺上實現(xiàn)摻鉺波導(dǎo)放大器，研究人員重新產(chǎn)生了濃厚興趣，此前已有團隊制備出摻鉺氧化鋁和摻鉺鋰酸鈮放大器等。

  然而，已報道的基于集成光子波導(dǎo)放大器的輸出功率遠低于 1 毫瓦(<<1mW)，遠不能滿足實際應(yīng)用中所需要的幾十、甚至上百毫瓦的輸出光功率。因此，相關(guān)研究成果僅停留在原理驗證階段，實際應(yīng)用價值十分有限。

  而實現(xiàn)高增益、高輸出的集成波導(dǎo)光放大器，所面臨的主要挑戰(zhàn)和限制因素是：可實現(xiàn)的鉺離子摻雜濃度、波導(dǎo)背景損耗、及波導(dǎo)長度。不同于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光放大器，摻雜在宿主材料中的鉺離子的吸收和輻射截面積較小，因此需要提高鉺離子摻雜濃度來提高增益系數(shù)(單位長度增益)。

  但是，離子摻雜濃度不能被一味地提高。因為在高離子濃度下，鉺離子之間的距離將變得更小，從而產(chǎn)生更強的相互作用，具體體現(xiàn)為更強的共協(xié)上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，即處于激發(fā)態(tài)的相鄰鉺離子，分別躍遷到更高的激發(fā)態(tài)和基態(tài)，從而降低粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度，其后果是不僅會浪費泵浦功率，而且會限制增益系數(shù)。

  因此，在提高鉺離子摻雜濃度的同時，該團隊希望同時得到較低的共協(xié)上轉(zhuǎn)換效應(yīng)系數(shù)，所以他們需要研究和選擇合適的稀土離子摻雜方式。在這個工作中，他們回顧并使用高能稀土離子注入的技術(shù)，以解決現(xiàn)有各種摻雜方法的不足。

  最后一個要考慮的要點在于，可實現(xiàn)的光放大總增益，與鉺離子濃度和波導(dǎo)長度呈正相關(guān)。所以，對于實現(xiàn)高增益的放大器，人們通常需要在指甲蓋大小的毫米尺寸光芯片上，實現(xiàn)長達幾十厘米的光波導(dǎo)。同樣，他們也需要實現(xiàn)超低的集成光波導(dǎo)的背景損耗，以減少在如此長的波導(dǎo)中泵浦光和信號光功率的衰減， 提高效率與減小噪聲。

  因為材料和加工工藝的限制，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的低損耗長波導(dǎo)一直以來是集成光子學(xué)中的一個研究挑戰(zhàn)，直到近幾年才得到了解決?；谝陨霞夹g(shù)挑戰(zhàn)，盡管近十年來有諸多相關(guān)的工作，已實現(xiàn)的摻鉺波導(dǎo)放大器與商用光纖放大器之間存在巨大的性能差距。

(來源：Science)

  展示摻鉺波導(dǎo)放大器在放大寬帶超快脈沖光信號的適用性

  在該研究中，課題組展示了該器件在放大寬帶超快脈沖光信號的適用性。針對氮化硅克爾微腔中產(chǎn)生的孤子光頻梳，他們在實驗里證明并演示了該波導(dǎo)放大器在功率上的放大。據(jù)介紹，基于片上微腔中非線性克爾效應(yīng)而產(chǎn)生的孤子光頻梳，其泵浦能量轉(zhuǎn)換效率非常低，往往不到百分之一。

  這使得幾乎在所有的孤子光頻梳相關(guān)的應(yīng)用中，都需要使用臺式光纖放大器對其進行光功率放大。實驗中，他們利用該器件將重復(fù)頻率在微波頻段的(19.8 GHz)的孤子光頻梳，從原來的 0.08 毫瓦放大超過 100 倍，達到了 8.4 毫瓦的輸出功率。

  通過使用直接光電探測，放大后的光頻梳可被用于產(chǎn)生低噪聲的微波信號。相比于未放大的光頻梳，針對受散粒噪聲限制的高頻率微波相位噪聲，放大后的光頻梳可將其降低近 40dB(1 萬倍)。

  另外，課題組利用片上放大后的重復(fù)頻率為 100GHz 的孤子光頻梳，單載波功率最高超過 1 毫瓦，借此他們展示了 10 吉波特率的 QPSK 相干光纖通信，并在超過 20個 ITU 波分復(fù)用通道上實現(xiàn)了可靠的信號傳輸。

  據(jù)介紹，三位論文主要作者劉陽博士、邱哲儒、紀(jì)歆茹，都因 EPFL 而相遇。其中，劉陽和紀(jì)歆茹都曾求學(xué)于湖北，劉陽的本碩均畢業(yè)于華中科技大學(xué)，紀(jì)歆茹本科期間先后在武漢大學(xué)和法國里昂大學(xué)接受培養(yǎng);邱哲儒則在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)拿到學(xué)士學(xué)位。而紀(jì)歆茹和邱哲儒在求學(xué)上的交集之處，在于兩人均是 EPFL 的直博生;劉陽則在悉尼大學(xué)物理系博士畢業(yè)后，獲歐盟瑪麗居里居里學(xué)者項目資助來到 EPFL 做博后研究，開展并領(lǐng)導(dǎo)基于稀土離子摻雜的集成光子器件的研究。

  對于后續(xù)計劃，論文作者表示：“我們正致力于將該放大器與其他片上器件相結(jié)合，比如克爾微腔等器件，以實現(xiàn)功能更復(fù)雜的、結(jié)構(gòu)更緊湊的集成光子器件和系統(tǒng)。例如，在同一個芯片上實現(xiàn)孤子光頻梳的產(chǎn)生以及放大，直接輸出實際應(yīng)用需求的光功率?！?

  事實上，通過將波導(dǎo)放大器與片上的反射器和濾波器結(jié)合，該團隊已經(jīng)實現(xiàn)了超低相位噪聲的可調(diào)諧激光器。而在不遠的將來，其將有望實現(xiàn)片集成的超快鎖模激光器，以用于微波光子信號產(chǎn)生、超高速光子采樣、和超大帶寬數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。另外，他們還將利用其他稀土離子，以拓展放大器和激光器的工作波長，發(fā)揮其在生化傳感探測等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

  參考：

  1、Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, Anton Lukashchuk, Jijun He, Johann Riemensberger, Martin Hafermann, Rui Ning Wang, Junqiu Liu, Carsten Ronning, and Tobias J. Kippenberg. A photonic integrated circuit based erbium-doped amplifier. Science, 17 June 2022. DOI: 10.1126/science.abo2631

  2、https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq8422