長(zhǎng)期以來(lái)，光電技術(shù)一直致力于開(kāi)發(fā)比電子產(chǎn)品運(yùn)行更快、能耗更低的微芯片。然而，多年來(lái)，開(kāi)發(fā)這種電路被證明具有挑戰(zhàn)性。主要困難之一涉及提供足夠的輸出功率以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的信號(hào)。然而，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種芯片級(jí)的光功率放大器，其性能大致與商業(yè)電信中所顯露的性能一樣好。

現(xiàn)在連接全球的超寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)于摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifiers），這種放大器可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超快的數(shù)據(jù)速率。由于光纖和其他網(wǎng)絡(luò)組件的信號(hào)損耗，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，光信號(hào)必須放大多次。摻鉺光纖放大器最早是在20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的，它可以幫助增強(qiáng)光信號(hào)，而無(wú)需事先將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（具體來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備可以放大1.55微米或1550納米波長(zhǎng)區(qū)域的光，其中光纖的傳輸損耗最小）。

幾十年來(lái)，科學(xué)家一直在尋求發(fā)明類(lèi)似的放大器，可以在光子芯片上工作。然而，開(kāi)發(fā)這種芯片級(jí)放大器的嘗試導(dǎo)致，對(duì)于許多實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，輸出功率通常小于1毫瓦的器件太弱，這主要是由于用于在芯片內(nèi)部布線(xiàn)光的波導(dǎo)的損耗。這些放大器通常也有較大的足跡，其制造與當(dāng)代光子集成電路制造技術(shù)不兼容。

現(xiàn)在，研究人員開(kāi)發(fā)了一種芯片級(jí)摻鉺光纖放大器。在輸入功率僅為2.61兆瓦、小信號(hào)增益超過(guò)30分貝的情況下，新設(shè)備的輸出功率超過(guò)145毫瓦，創(chuàng)歷史新高。這導(dǎo)致在連續(xù)運(yùn)行的電信頻帶中放大了1000倍以上，這一性能已經(jīng)與商用高端摻鉺光纖放大器相當(dāng)。

“這項(xiàng)工作最令人興奮的部分是放大器的工作性能，它們與商業(yè)放大器不相上下，盡管每個(gè)維度只有幾百微米寬，”研究資深作者Tobias Kippenberg說(shuō)，他是瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的光學(xué)工程師，“幾年前，實(shí)現(xiàn)這種放大器性能似乎是不可能的?！?/p>

此外，研究人員將該設(shè)備長(zhǎng)達(dá)半米的摻鉺波導(dǎo)封裝成一個(gè)螺旋形，其足跡測(cè)量值僅為1.2毫米×3.6毫米。該裝置還具有大約60%的高功率轉(zhuǎn)換效率。這種新器件的關(guān)鍵是基于氮化硅的超低損耗芯片級(jí)光子波導(dǎo)，氮化硅是一種已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)的材料。最近，Kippenberg和他的同事制作了長(zhǎng)達(dá)米的超低損耗氮化硅波導(dǎo)。這使他們研究了在這種波導(dǎo)中注入鉺是否會(huì)產(chǎn)生光放大器。

Kippenberg說(shuō)：“鉺離子可以提供光的放大，但只能非常微弱。只有當(dāng)它們嵌入損耗非常低的光纖中，并且當(dāng)它們與光進(jìn)行很長(zhǎng)距離（通常為米長(zhǎng)）的相互作用時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)增益?！?/p>

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員表明他們可以將被稱(chēng)為 soliton microcombs 的設(shè)備的輸出功率提高100 倍。soliton microcombs 可用于光譜學(xué)、計(jì)量學(xué)和其他應(yīng)用，但它們的輸出功率僅限于幾十到幾百微瓦，幾乎在所有應(yīng)用中都需要放大。

科學(xué)家們還透露，他們的設(shè)備可以直接放大20多個(gè)波分多路復(fù)用通道，用于1公里長(zhǎng)的光纖鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸。這表明它可以用于電信網(wǎng)絡(luò)的芯片級(jí)放大。

研究人員指出，他們的光放大器仍然需要一個(gè)遠(yuǎn)離微芯片的泵浦激光器。因此，整個(gè)裝置尚未整合在一起。Kippenberg說(shuō)：“這是我們未來(lái)需要通過(guò)混合集成解決的關(guān)鍵缺陷。”

最終，科學(xué)家們希望他們的光放大器能夠幫助實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的鎖模激光器，產(chǎn)生僅為萬(wàn)億分之一秒（又稱(chēng)飛秒）長(zhǎng)的脈沖。這項(xiàng)研究的主要作者、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的光學(xué)工程師Yang Liu表示，這種設(shè)備可能有多種用途，例如激光雷達(dá)。

Kippenberg說(shuō)：“飛秒鎖模激光器顯然是一個(gè)圣杯，也是我們現(xiàn)在關(guān)注的目標(biāo)?！?/p>