半导体光放大器工作原理（能将光芯片信号放大1000倍）

半导体光放大器工作原理（能将光芯片信号放大1000倍）“铒离子（Erbium ions）可以放大光，但只能非常微弱，”Kippenberg说。“只有将它们嵌入到损耗极低的光纤中，并且当它们与光相互作用很长的距离（通常是几米长）时，才能获得增益。”这种新器件的关键是基于氮化硅的超低损耗芯片级光子波导，这种材料已经在半导体行业广泛使用。最近，Kippenberg 和他的同事制造了长达数米的超低损耗氮化硅波导，基于此，他们研究将铒植入此类波导是否会产生光放大器。现在研究人员已经开发出一种芯片级版本的掺铒光纤放大器。新器件具有超过 145 毫瓦的创纪录输出功率，输入功率仅为 2.61 mW，小信号增益超过 30 分贝。也就是说在连续运行的电信频带中放大一千多倍，这一性能已经可以与商业高端掺铒光纤放大器相媲美。“这项工作最令人兴奋的部分是放大器的工作效果，并且它们与商业放大器相当，尽管每个维度只有几百微米，”该研究的资深作者，来自瑞士洛桑联邦理工学院的

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长期以来，光子学一直承诺其微芯片的运行速度会比电子类产品更快、能耗更低。然而，多年来，开发这种电路已被证明极具挑战性。其主要困难之一涉及提供足够的输出功率以产生足够强的信号。

然而，研究人员现在已经开发出一种芯片级的光功率放大器，其性能与商业电信中已经看到的性能大致相同。

现在连接全球的超宽带光纤网络依赖于能够在全球范围内实现超快数据速率的掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifiers）。由于光纤和其他网络组件的信号损失，光信号在远距离传输时必须被放大多次。掺铒光纤放大器于 1980 年代首次开发，有助于增强光信号，而无需事先将其转换为电信号的额外步骤。（具体来说，这些设备可以放大1.55 微米或 1 550 纳米波长范围内的光，在这些范围内，光纤的传输损耗最小。）

现在研究人员已经开发出一种芯片级版本的掺铒光纤放大器。新器件具有超过 145 毫瓦的创纪录输出功率，输入功率仅为 2.61 mW，小信号增益超过 30 分贝。也就是说在连续运行的电信频带中放大一千多倍，这一性能已经可以与商业高端掺铒光纤放大器相媲美。

“这项工作最令人兴奋的部分是放大器的工作效果，并且它们与商业放大器相当，尽管每个维度只有几百微米，”该研究的资深作者，来自瑞士洛桑联邦理工学院的光学工程师 Tobias Kippenberg 说。“就在几年前，实现这样的放大器似乎是不可能的。”

此外，研究人员将该设备的长达半米的掺铒波导封装成一个螺旋形，其占地面积仅为 1.2 毫米 x 3.6 毫米宽。该器件还以大约 60% 的高功率转换效率运行。

这种新器件的关键是基于氮化硅的超低损耗芯片级光子波导，这种材料已经在半导体行业广泛使用。最近，Kippenberg 和他的同事制造了长达数米的超低损耗氮化硅波导，基于此，他们研究将铒植入此类波导是否会产生光放大器。

“铒离子（Erbium ions）可以放大光，但只能非常微弱，”Kippenberg说。“只有将它们嵌入到损耗极低的光纤中，并且当它们与光相互作用很长的距离（通常是几米长）时，才能获得增益。”

在实验中，研究人员表明他们可以将被称为 soliton microcombs 的设备的输出功率提高100 倍。soliton microcombs 可用于光谱学、计量学和其他应用，但它们的输出功率仅限于几十到几百微瓦，几乎在所有应用中都需要放大。

科学家们还透露，他们的设备可以直接放大 20多个波分复用通道，用于通过 1 公里长的光纤链路进行数据传输。这表明它可以用于电信网络的芯片级放大。

研究人员指出，他们的光放大器仍然需要一个位于微芯片外的pump laser。因此，整个单元还没有集成在一起。“这是我们未来需要通过混合集成解决的一个关键缺陷，”Kippenberg 说。

最终，科学家们希望他们的光学放大器可以帮助实现芯片级mode-locked lasers ，以提供仅万亿分之一秒（又名飞秒）长的脉冲串。研究的主要作者、瑞士洛桑联邦理工学院的光学工程师Yang Liu说，此类设备可能有多种用途，例如激光雷达。

“飞秒mode-locked laser 显然是一个圣杯，也是我们现在的目标，”Kippenberg 说。

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