Eine neue Ära der optischen Kommunikation: Das Potenzial parametrischer Verstärker

Von der Eidgenössischen Polytechnischen Schule Lausanne, 24. Januar 2023

Die in dieser Studie verwendeten photonischen integrierten Schaltkreise. Bildnachweis: Tobias Kippenberg (EPFL), CC BY 4.0

Die Fähigkeit, optische Signale in optischen Fasern bis zur Quantengrenze zu verstärken, ist ein entscheidender technologischer Fortschritt, der die Grundlage unserer modernen Informationsgesellschaft bildet. Das 1550-nm-Wellenlängenband wird in der optischen Telekommunikation verwendet, weil es nicht nur geringe Verluste in Quarzglasfasern aufweist (für die 2008 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde), sondern auch, weil es die Verstärkung dieser Signale ermöglicht, die für die Übertragung unerlässlich sind. Ozeanische faseroptische Kommunikation.

Optical amplification plays a key role in virtually all laser-based technologies such as optical communication, used for instance in data centers to communicate between servers and between continents through trans-oceanic fiber links, to ranging applications like coherent Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) LiDAR – an emerging technology that can detect and track objects farther, faster, and with greater precision than ever before. Today, optical amplifiers based on rare-earth ions like erbium, as well as III-V semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Halbleiter werden häufig in realen Anwendungen eingesetzt.

Diese beiden Ansätze basieren auf der Verstärkung durch optische Übergänge. Aber es gibt noch ein anderes Paradigma der optischen Signalverstärkung: parametrische Wanderwellenverstärker, die eine Signalverstärkung durch Variation eines kleinen Systemparameters wie der Kapazität oder der Nichtlinearität einer Übertragungsleitung erreichen.

Seit den 80er Jahren ist bekannt, dass die intrinsische Nichtlinearität optischer Fasern auch genutzt werden kann, um optische parametrische Wanderwellenverstärker zu schaffen, deren Verstärkung unabhängig von Atom- oder Halbleiterübergängen ist, was bedeutet, dass sie breitbandig sein und praktisch alle abdecken können Wellenlänge.

Parametrische Verstärker haben außerdem kein minimales Eingangssignal, was bedeutet, dass sie sowohl zur Verstärkung schwächster Signale als auch großer Eingangsleistungen in einer einzigen Einstellung verwendet werden können. Und schließlich kann das Verstärkungsspektrum durch Optimierung der Wellenleitergeometrie und Dispersionstechnik angepasst werden, was eine enorme Designflexibilität für Zielwellenlängen und Anwendungen bietet.

Am faszinierendsten ist, dass eine parametrische Verstärkung in ungewöhnlichen Wellenlängenbändern erzielt werden kann, die für herkömmliche Halbleiter oder mit seltenen Erden dotierte Fasern unerreichbar sind. Die parametrische Verstärkung ist von Natur aus quantenbegrenzt und kann sogar eine rauschfreie Verstärkung erreichen.

Trotz ihrer attraktiven Eigenschaften weisen optische parametrische Verstärker in Fasern einen sehr hohen Pumpleistungsbedarf auf, der auf die schwache Kerr-Nichtlinearität von Siliziumdioxid zurückzuführen ist. In den letzten zwei Jahrzehnten haben die Fortschritte bei integrierten photonischen Plattformen eine deutlich verbesserte effektive Kerr-Nichtlinearität ermöglicht, die in Quarzfasern nicht erreicht werden kann, jedoch nicht bei Verstärkern im Dauerstrichbetrieb erreicht werden konnte.

„Der Betrieb im Dauerstrichbereich ist keine bloße ‚akademische Leistung‘“, sagt Professor Tobias Kippenberg, Leiter des EPFL-Labors für Photonik und Quantenmessungen an der EPFL. „Tatsächlich ist es für den praktischen Betrieb eines jeden Verstärkers von entscheidender Bedeutung, da es impliziert, dass alle Eingangssignale verstärkt werden können – zum Beispiel optisch kodierte Informationen, Signale von LiDAR, Sensoren usw. Zeit- und spektrumkontinuierliche, reise- Die Wellenverstärkung ist von entscheidender Bedeutung für die erfolgreiche Implementierung von Verstärkertechnologien in modernen optischen Kommunikationssystemen und neuen Anwendungen für die optische Erfassung und Entfernungsmessung.“

Eine neue Studie unter der Leitung von Dr. Johann Riemensberger in Kippenbergs Gruppe hat sich nun dieser Herausforderung angenommen und einen Wanderwellenverstärker entwickelt, der auf einem photonischen integrierten Schaltkreis basiert, der im kontinuierlichen Bereich arbeitet. „Unsere Ergebnisse sind der Höhepunkt von mehr als einem Jahrzehnt Forschungsanstrengungen in der integrierten nichtlinearen Photonik und dem Streben nach immer geringeren Wellenleiterverlusten“, sagt Riemensberger.

Die Forscher nutzten einen über zwei Meter langen, extrem verlustarmen photonischen integrierten Schaltkreis aus Siliziumnitrid, um den ersten Wanderwellenverstärker auf einem 3×5 mm2 großen photonischen Chip zu bauen. Der Chip arbeitet in einem kontinuierlichen Modus und bietet eine Nettoverstärkung von 7 dB auf dem Chip und eine Nettoverstärkung von 2 dB von Faser zu Faser in den Telekommunikationsbändern. Die parametrische On-Chip-Net-Gain-Verstärkung in Siliziumnitrid wurde kürzlich auch von den Gruppen von Victor Torres-Company und Peter Andrekson an der Chalmers University erreicht.

Zukünftig kann das Team mithilfe einer präzisen lithografischen Steuerung die Wellenleiterdispersion für eine parametrische Verstärkungsbandbreite von mehr als 200 nm optimieren. Und da der grundlegende Absorptionsverlust von Siliziumnitrid sehr gering ist (etwa 0,15 dB/Meter), können weitere Fertigungsoptimierungen den maximalen parametrischen Gewinn des Chips auf über 70 dB mit nur 750 mW Pumpleistung steigern und damit die Leistung der besten faserbasierten Chips übertreffen Verstärker.

„Die Einsatzgebiete solcher Verstärker sind unbegrenzt“, sagt Kippenberg. „Von der optischen Kommunikation, bei der man Signale über die typischen Telekommunikationsbänder hinaus erweitern könnte, über Laser und Signalverstärkung im mittleren Infrarot oder sichtbaren Bereich bis hin zu LiDAR oder anderen Anwendungen, bei denen Laser zur Untersuchung, Erfassung und Abfrage klassischer oder Quantensignale verwendet werden.“

Referenz: „A photonic Integrated Continuous-Travelling-Wave Parametric Amplifier“ von Johann Riemensberger, Nikolai Kuznetsov, Junqiu Liu, Jijun He, Rui Ning Wang und Tobias J. Kippenberg, 30. November 2022, Nature.DOI: 10.1038/s41586-022- 05329-1