Новая эра оптических коммуникаций: Потенциал параметрических усилителей

Возможность усиления оптических сигналов в оптических волокнах до их квантового предела является важнейшим технологическим достижением, которое лежит в основе нашего современного информационного общества. Диапазон длин волн 1550 нм используется в оптических телекоммуникациях не только потому, что он имеет низкие потери в кварцевых оптических волокнах (за что в 2008 году была присуждена Нобелевская премия по физике), но и потому, что он позволяет усиливать эти сигналы, что необходимо для трансокеанской волоконно-оптической связи.

Оптическое усиление играет ключевую роль практически во всех технологиях на основе лазеров, таких как оптическая связь, используемая, например, в центрах обработки данных для связи между серверами и между континентами через трансокеанские волоконно-оптические линии связи, или приложения для определения дальности, такие как когерентный лидар с частотной модуляцией непрерывной волны (FMCW) - новая технология, которая позволяет обнаруживать и отслеживать объекты на большем расстоянии, быстрее и с большей точностью, чем когда-либо прежде. Сегодня оптические усилители на основе редкоземельных ионов, таких как эрбий, а также полупроводников III-V широко используются в реальных приложениях.

Эти два подхода основаны на усилении за счет оптических переходов. Но существует и другая парадигма усиления оптического сигнала: параметрические усилители бегущей волны, которые достигают усиления сигнала путем изменения небольшого "параметра" системы, например, емкости или нелинейности линии передачи.

Оптические параметрические усилители

С 80-х годов прошлого века было известно, что присущая оптическим волокнам нелинейность может быть использована для создания оптических параметрических усилителей бегущей волны, усиление которых не зависит от атомных или полупроводниковых переходов, что означает, что они могут быть широкополосными и практически охватывать любую длину волны.

Параметрические усилители также не страдают от минимального входного сигнала, что означает, что их можно использовать для усиления как самых слабых сигналов, так и большой входной мощности в одной установке. И, наконец, спектр усиления может быть настроен путем оптимизации геометрии волновода и дисперсии, что обеспечивает огромную гибкость проектирования для целевых длин волн и приложений.

Самое интересное, что параметрическое усиление может быть получено в необычных диапазонах длин волн, которые недоступны для обычных полупроводников или волокон, легированных редкоземельными элементами. Параметрическое усиление по своей сути является квантово-ограниченным и может даже достигать бесшумного усиления.

Ограничения кремния

Несмотря на свои привлекательные особенности, оптические параметрические усилители в волокне осложняются очень высокими требованиями к мощности накачки, обусловленными слабой керровской нелинейностью кремния. За последние два десятилетия прогресс в области интегрированных фотонных платформ позволил значительно усилить эффективную керровскую нелинейность, которая не может быть достигнута в кварцевом волокне, но не позволил получить усилители, работающие в режиме непрерывной волны.

"Работа в режиме непрерывных волн - это не просто "академическое достижение", - говорит профессор Тобиас Киппенберг, руководитель лаборатории фотоники и квантовых измерений EPFL. "На самом деле, он имеет решающее значение для практической работы любого усилителя, поскольку подразумевает возможность усиления любых входных сигналов - например, оптически закодированной информации, сигналов от LiDAR, датчиков и т.д. Непрерывное по времени и спектру усиление бегущей волны имеет решающее значение для успешной реализации технологий усилителей в современных оптических системах связи и новых приложениях для оптического зондирования и дальнометрии".

Прорывной фотонный чип

Новое исследование под руководством доктора Йоханна Рименсбергера из группы Киппенберга позволило решить эту проблему, разработав усилитель бегущей волны на основе фотонной интегральной схемы, работающей в непрерывном режиме. "Наши результаты являются кульминацией более чем десятилетних исследований в области интегральной нелинейной фотоники и стремления к все более низким потерям в волноводе", - говорит Рименсбергер.

Исследователи использовали фотонную интегральную схему из нитрида кремния с ультранизкими потерями длиной более двух метров для создания первого усилителя бегущей волны на фотонном чипе размером 3×5 мм 2. Чип работает в непрерывном режиме и обеспечивает 7 дБ чистого усиления на кристалле и 2 дБ чистого усиления от волокна к волокну в телекоммуникационных диапазонах. Параметрическое усиление с чистым коэффициентом усиления на кристалле в нитриде кремния также было недавно достигнуто группами Виктора Торрес-Компани и Питера Андрексона из Университета Чалмерса.

В будущем команда может использовать точный литографический контроль для оптимизации дисперсии волновода для получения полосы параметрического усиления более 200 нм. А поскольку фундаментальные потери поглощения нитрида кремния очень низкие (около 0,15 дБ/метр), дальнейшая оптимизация производства может привести к тому, что максимальный параметрический коэффициент усиления чипа превысит 70 дБ при мощности накачки всего 750 мВт, что превышает характеристики лучших волоконно-оптических усилителей.

"Области применения таких усилителей неограниченны", - говорит Киппенберг. "От оптической связи, где можно расширить сигналы за пределы типичных телекоммуникационных диапазонов, до лазеров и усиления сигналов в среднем инфракрасном или видимом диапазоне, до LiDAR и других приложений, где лазеры используются для зондирования, восприятия и опроса классических или квантовых сигналов".