鑽石舞台

長期以來，光子學一直承諾其微芯片的運行速度會比電子類產品更快、能耗更低。然而，多年來，開發這種電路已被證明極具挑戰性。其主要困難之一涉及提供足夠的輸出功率以產生足夠強的信號。

然而，研究人員現在已經開發出一種芯片級的光功率放大器，其性能與商業電信中已經看到的性能大致相同。

現在連接全球的超寬帶光纖網絡依賴於能夠在全球範圍內實現超快數據速率的摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifiers）。由於光纖和其他網絡組件的信號損失，光信號在遠距離傳輸時必須被放大多次。摻鉺光纖放大器於 1980 年代首次開發，有助於增強光信號，而無需事先將其轉換為電信號的額外步驟。（具體來說，這些設備可以放大1.55 微米或 1,550 納米波長範圍內的光，在這些範圍內，光纖的傳輸損耗最小。）

現在研究人員已經開發出一種芯片級版本的摻鉺光纖放大器。新器件具有超過 145 毫瓦的創紀錄輸出功率，輸入功率僅為 2.61 mW，小信號增益超過 30 分貝。也就是說在連續運行的電信頻帶中放大一千多倍，這一性能已經可以與商業高端摻鉺光纖放大器相媲美。

「這項工作最令人興奮的部分是放大器的工作效果，並且它們與商業放大器相當，儘管每個維度只有幾百微米，」該研究的資深作者，來自瑞士洛桑聯邦理工學院的光學工程師 Tobias Kippenberg 說。「就在幾年前，實現這樣的放大器似乎是不可能的。」

此外，研究人員將該設備的長達半米的摻鉺波導封裝成一個螺旋形，其占地面積僅為 1.2 毫米 x 3.6 毫米寬。該器件還以大約 60% 的高功率轉換效率運行。

這種新器件的關鍵是基於氮化硅的超低損耗芯片級光子波導，這種材料已經在半導體行業廣泛使用。最近，Kippenberg 和他的同事製造了長達數米的超低損耗氮化硅波導，基於此，他們研究將鉺植入此類波導是否會產生光放大器。

「鉺離子（Erbium ions）可以放大光，但只能非常微弱，」Kippenberg說。「只有將它們嵌入到損耗極低的光纖中，並且當它們與光相互作用很長的距離（通常是幾米長）時，才能獲得增益。」

在實驗中，研究人員表明他們可以將被稱為 soliton microcombs 的設備的輸出功率提高100 倍。soliton microcombs 可用於光譜學、計量學和其他應用，但它們的輸出功率僅限於幾十到幾百微瓦，幾乎在所有應用中都需要放大。

科學家們還透露，他們的設備可以直接放大 20多個波分復用通道，用於通過 1 公里長的光纖鏈路進行數據傳輸。這表明它可以用於電信網絡的芯片級放大。

研究人員指出，他們的光放大器仍然需要一個位於微芯片外的pump laser。因此，整個單元還沒有集成在一起。「這是我們未來需要通過混合集成解決的一個關鍵缺陷，」Kippenberg 說。

最終，科學家們希望他們的光學放大器可以幫助實現芯片級mode-locked lasers ，以提供僅萬億分之一秒（又名飛秒）長的脈衝串。研究的主要作者、瑞士洛桑聯邦理工學院的光學工程師Yang Liu說，此類設備可能有多種用途，例如激光雷達。

「飛秒mode-locked laser 顯然是一個聖杯，也是我們現在的目標，」Kippenberg 說。

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