中國科學家研發摻鉺波導放大器，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放大器中，實現超過 145 毫瓦(>145mW)的片上連續光輸出功率，比已報道的器件提高兩個數量級。并在幾平方毫米的芯片面積上，實現了超過 30 分貝的片上連續光增益，這相當于將輸入信號放大 1000 倍，也能滿足光通信在 C 波段以及部分 L 波段的應用需求?！比鹗柯迳Ｂ摪罾砉?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，該波導光放大器產生綠色的熒光

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

  他們談論的這一成果，正是近期發表在 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在 1991 年由當時在美國貝爾實驗室的阿爾貝托·波爾曼(Alberto Polman)教授(現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勢。

  高溫退火之后，離子注入后的波導仍然保持了小于 5 分貝每米的超低背景光損耗，相當于在 1 米長的光波導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)，實現了接近 60% 的最大片上光功率轉換效率。

  相關器件的放大性能，不僅能與最先進的硅基異質集成半導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，證明了任意定義芯片上鉺摻雜區域的可行性，借此制備出在同一個集成光子芯片上同時實現光增益單元與低損耗的無源功能器件，為實現大規模復雜的單片集成有源光子芯片提供了技術基礎。

(來源：Science)

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

(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，實現更復雜的、集成度更高的功能器件和系統，比如低噪聲激光器、波長可調激光器、光子雷達引擎等，以滿足光通信、集成微波光子學、量子信息存儲等重要領域的研究和應用需求。

  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)，發表之后還得到了 Science 的亮點報道[2]。

圖 | 相關論文(來源：Science)

  亟待解決的難題：在集成光子芯片中實現高性能、低串擾的光信號放大

  據介紹，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路和各種光纖激光中。摻鉺光纖放大器的實現，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，集成光子芯片技術得到了迅速發展，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高性能、低串擾的光信號放大，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，實現了集成光波導放大器，首次達到了與商用光纖放大器相當的性能，解決了實現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鍵難題。

(來源：Science)

  其研究背景要從 20 世紀 80 年代說起。當時，國際著名光子學專家、英國南安普頓大學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家埃曼努爾·杜蘇庇爾(Emmanuel Desurvire)等研究人員發明了摻鉺光纖放大器，它的誕生是光纖通信技術的革命性突破。

  而華裔物理學家、諾貝爾物理學獎得主高錕發明的光纖，奠定了光通信的基礎。但是，只有在光纖放大器取代了傳統的、性能受限的電中繼器之后，光通信技術才得到了飛速發展，人們才能通過遍布全球的長距離、跨洋光纖通信網絡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 殼層電子結構，這讓它們在宿主材料中有長達幾個毫秒的激發態壽命，有利于實現粒子數反轉從而能放大光信號。同時，毫秒級的長激發態壽命能大大減低不同波段光信號之間的串擾，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，已能非常接近于量子力學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，成為了光通信技術中的理想增益介質。

  此外，光纖放大器幾乎在所有光纖激光器應用中都發揮著至關重要的作用，例如光纖傳感、頻率計量、激光雷達、激光加工等應用。在目前世界上最精確的原子鐘里，光學頻率梳是用于將光學頻率轉換為射頻頻率的關鍵組件，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勢和在應用上的巨大成功，在集成光子芯片上實現基于稀土離子的波導放大器，很自然地成為了一個重要研究目標，這將對于集成光子學的發展具有相當重要的意義，能填補集成光子芯片上低噪聲光放大技術的空白。

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

  近十年來，集成光子學的快速發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摻鉺波導放大器，研究人員重新產生了濃厚興趣，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放大器的輸出功率遠低于 1 毫瓦(<<1mW)，遠不能滿足實際應用中所需要的幾十、甚至上百毫瓦的輸出光功率。因此，相關研究成果僅停留在原理驗證階段，實際應用價值十分有限。

  而實現高增益、高輸出的集成波導光放大器，所面臨的主要挑戰和限制因素是：可實現的鉺離子摻雜濃度、波導背景損耗、及波導長度。不同于傳統的半導體光放大器，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(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，從而產生更強的相互作用，具體體現為更強的共協上轉換效應，即處于激發態的相鄰鉺離子，分別躍遷到更高的激發態和基態，從而降低粒子數反轉程度，其后果是不僅會浪費泵浦功率，而且會限制增益系數。

  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上轉換效應系數，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，以解決現有各種摻雜方法的不足。

  最后一個要考慮的要點在于，可實現的光放大總增益，與鉺離子濃度和波導長度呈正相關。所以，對于實現高增益的放大器，人們通常需要在指甲蓋大小的毫米尺寸光芯片上，實現長達幾十厘米的光波導。同樣，他們也需要實現超低的集成光波導的背景損耗，以減少在如此長的波導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，實現結構緊湊的低損耗長波導一直以來是集成光子學中的一個研究挑戰，直到近幾年才得到了解決?；谝陨霞夹g挑戰，盡管近十年來有諸多相關的工作，已實現的摻鉺波導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生的孤子光頻梳，他們在實驗里證明并演示了該波導放大器在功率上的放大。據介紹，基于片上微腔中非線性克爾效應而產生的孤子光頻梳，其泵浦能量轉換效率非常低，往往不到百分之一。

  這使得幾乎在所有的孤子光頻梳相關的應用中，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 波分復用通道上實現了可靠的信號傳輸。

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

  對于后續計劃，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合，比如克爾微腔等器件，以實現功能更復雜的、結構更緊湊的集成光子器件和系統。例如，在同一個芯片上實現孤子光頻梳的產生以及放大，直接輸出實際應用需求的光功率?！?

  事實上，通過將波導放大器與片上的反射器和濾波器結合，該團隊已經實現了超低相位噪聲的可調諧激光器。而在不遠的將來，其將有望實現片集成的超快鎖模激光器，以用于微波光子信號產生、超高速光子采樣、和超大帶寬數模轉換器等。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，發揮其在生化傳感探測等領域的應用潛力。

  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