Fotonica-chip maakt lichtversterking mogelijk

Wetenschappers van EPFL hebben fotonische geïntegreerde schakelingen ontwikkeld die een nieuw principe van lichtversterking op een siliciumchip demonstreren. Het kan worden gebruikt voor optische signalen zoals die worden gebruikt in Lidar, trans-oceanische vezelversterkers of in datacenter-telecommunicatie.

Sinds de jaren 80 is bekend dat de intrinsieke niet-lineariteit van optische vezels ook kan worden aangewend om optische parametrische versterkers met lopende golven te creëren, waarvan de versterking onafhankelijk is van atomaire of halfgeleiderovergangen, wat betekent dat het breedbandig kan zijn en vrijwel elke golflengte kan bestrijken.

Parametrische versterkers hebben ook geen last van een minimaal ingangssignaal, wat betekent dat ze kunnen worden gebruikt om zowel de zwakste signalen als een groot ingangsvermogen in één enkele instelling te versterken. En het versterkingsspectrum kan worden aangepast door optimalisatie van de golfgeleidergeometrie en dispersie-engineering, wat een enorme ontwerpflexibiliteit biedt voor doelgolflengten en toepassingen.

Parametrische versterking kan worden bereikt in ongebruikelijke golflengtebanden die buiten het bereik liggen van conventionele halfgeleiders of met zeldzame aardmetalen gedoteerde vezels. Parametrische versterking is inherent kwantumbeperkt en kan zelfs een geruisloze versterking bereiken.

Beperkingen van silicium

Ondanks hun aantrekkelijke kenmerken, worden optische parametrische versterkers in vezels belemmerd door hun zeer hoge pompvermogensvereisten als gevolg van de zwakke Kerr-niet-lineariteit van silica. In de afgelopen twee decennia hebben de vorderingen op het gebied van geïntegreerde fotonische platforms een aanzienlijk verbeterde effectieve Kerr-niet-lineariteit mogelijk gemaakt die niet kan worden bereikt in silicavezels, maar hebben geen doorlopende golfgestuurde versterkers bereikt.

Baanbrekende fotonische chip

Een nieuwe studie onder leiding van Johann Riemensberger heeft nu de uitdaging aangepakt door een reizende-golfversterker te ontwikkelen op basis van een fotonisch geïntegreerd circuit dat werkt in het continue regime. “Onze resultaten zijn het resultaat van meer dan tien jaar onderzoek naar geïntegreerde niet-lineaire fotonica en het streven naar steeds lagere golfgeleiderverliezen”, zegt Riemensberger.

De onderzoekers gebruikten een fotonisch geïntegreerd circuit van siliciumnitride met ultralaag verlies van meer dan twee meter lang om de eerste lopende-golfversterker te bouwen op een fotonische chip van 3×5 mm2. De chip werkt in het continue regime en biedt 7 dB netto versterking op de chip en 2 dB netto versterking glasvezel-naar-vezel in de telecommunicatiebanden.

In de toekomst kan het team nauwkeurige lithografische controle gebruiken om de golfgeleiderdispersie te optimaliseren voor een parametrische versterkingsbandbreedte van meer dan 200 nm. En aangezien het fundamentele absorptieverlies van siliciumnitride erg laag is (ongeveer 0,15 dB/meter), kunnen verdere fabricage-optimalisaties de maximale parametrische versterking van de chip opdrijven tot boven de 70 dB met slechts 750 mW aan pompvermogen, waardoor de prestaties van de beste op vezels gebaseerde versterkers.

“De toepassingsgebieden van dergelijke versterkers zijn onbeperkt”, zegt Kippenberg. “Van optische communicatie waarbij men signalen kan uitbreiden buiten de typische telecommunicatiebanden, tot mid-infrarood of zichtbare laser en signaalversterking, tot LiDAR of andere toepassingen waarbij lasers worden gebruikt om klassieke of kwantumsignalen te onderzoeken, te detecteren en te ondervragen.”