Новая эра оптической связи: потенциал параметрических усилителей

Федеральная политехническая школа Лозанны, 24 января 2023 г.

Фотонные интегральные схемы, использованные в этом исследовании. Фото: Тобиас Киппенберг (EPFL), CC BY 4.0.

Способность усиливать оптические сигналы в оптических волокнах до их квантового предела является важнейшим технологическим достижением, лежащим в основе нашего современного информационного общества. Полоса длин волн 1550 нм используется в оптических телекоммуникациях не только потому, что она имеет низкие потери в кварцевых оптических волокнах (за которые в 2008 году была присуждена Нобелевская премия по физике), но и потому, что она позволяет усиливать эти сигналы, необходимые для передачи сигналов. океаническая волоконно-оптическая связь.

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"}]">полупроводники широко используются в реальных приложениях.

Эти два подхода основаны на усилении за счет оптических переходов. Но есть другая парадигма усиления оптического сигнала: параметрические усилители бегущей волны, которые достигают усиления сигнала путем изменения небольшого «параметра» системы, такого как емкость или нелинейность линии передачи.

С 80-х годов было известно, что внутреннюю нелинейность оптических волокон можно также использовать для создания оптических параметрических усилителей бегущей волны, коэффициент усиления которых не зависит от атомных или полупроводниковых переходов, а это означает, что он может быть широкополосным и практически охватывать любые длина волны.

Параметрические усилители также не страдают от минимального входного сигнала, а это означает, что их можно использовать для усиления как самых слабых сигналов, так и большой входной мощности за одну настройку. И, наконец, спектр усиления можно адаптировать за счет оптимизации геометрии волновода и проектирования дисперсии, что обеспечивает огромную гибкость проектирования для целевых длин волн и приложений.

Самое интересное, что параметрическое усиление может быть получено в необычных диапазонах длин волн, недоступных обычным полупроводникам или волокнам, легированным редкоземельными элементами. Параметрическое усиление по своей сути квантово-ограничено и может даже обеспечить бесшумное усиление.

Несмотря на свои привлекательные особенности, оптические параметрические усилители в волокнах усугубляются очень высокими требованиями к мощности накачки, обусловленными слабой керровской нелинейностью кремнезема. За последние два десятилетия достижения в области интегрированных фотонных платформ позволили значительно повысить эффективную нелинейность Керра, чего нельзя достичь в кварцевых волокнах, но не удалось достичь в усилителях, работающих в непрерывном режиме.

«Работа в режиме непрерывного излучения — это не просто «академическое достижение», — говорит профессор Тобиас Киппенберг, руководитель лаборатории фотоники и квантовых измерений EPFL в EPFL. «Фактически, это имеет решающее значение для практической работы любого усилителя, поскольку подразумевает, что любые входные сигналы могут быть усилены – например, оптически закодированная информация, сигналы от LiDAR, датчиков и т. д. Непрерывные во времени и спектре, перемещающиеся – Усиление волн имеет решающее значение для успешного внедрения технологий усилителей в современных системах оптической связи и новых приложениях для оптического зондирования и определения дальности».