光通信新时代：参量放大器的潜力

诸平

The photonic integrated circuits used in this study. Credit: Tobias Kippenberg (EPFL), CC BY 4.0

据瑞士洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne简称EPFL)2023年1月24日报道，光通信新时代：参量放大器的潜力（A New Era of Optical Communications: The Potential of Parametric Amplifiers）。上述来自EPFL托拜厄斯·基彭贝格（Tobias Kippenberg）的图片，就是本研究中使用的光子集成电路。相关研究结果于2022年11月底已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Johann Riemensberger, Nikolai Kuznetsov, Junqiu Liu, Jijun He, Rui Ning Wang, Tobias J. Kippenberg. A photonic integrated continuous-travelling-wave parametric amplifier. Nature, Published: 30 November 2022. Volume 612, Pages 56–61. DOI: 10.1038/s41586-022-05329-1. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05329-1

将光纤中的光信号放大到其量子极限的能力，是支撑我们现代信息社会的一项关键技术进步。1550 nm 波段用于光通信，因为它不仅在石英光纤（silica optical fibers）中具有低损耗（2008年诺贝尔物理学奖因此获得——The Nobel Prize in Physics 2008），而且还因为它允许放大这些信号，这对于跨洋光纤通信至关重要。

光学放大在几乎所有基于激光的技术中都起着关键作用，例如光通信，用于数据中心通过跨洋光纤链路在服务器之间和大陆之间进行通信，以及相干调频连续波 (Frequency Modulated Continuous Wave简称FMCW)激光雷达（LiDAR）等测距应用。LiDAR是一种新兴技术，可以比以往更远、更快、更精确地检测和跟踪物体。如今，基于铒（erbium, Er）等稀土离子以及III-V族半导体的光放大器已广泛用于实际应用中。

这两种方法都是基于光跃迁(optical transitions)的放大。但还有另一种光信号放大范例：行波参量放大器(traveling-wave parametric amplifiers)，它通过改变一个小的系统“参数”（例如传输线的电容或非线性）来实现信号放大。

光参量放大器(Optical parametric amplifiers)

自20世纪80年代以来，人们就知道光纤的固有非线性也可以用来创建行波光学参量放大器（traveling-wave optical parametric amplifiers），其增益与原子或半导体跃迁无关，这意味着它可以是宽带的并且几乎覆盖任何波长。

参量放大器也不受最小输入信号的影响，这意味着它们可用于在单一设置中放大最微弱的信号和大输入功率。最后，增益谱（gain spectrum）可以通过波导几​​何优化和色散工程来定制，这为目标波长和应用提供了巨大的设计灵活性。

最有趣的是，参数增益可以在常规半导体或稀土掺杂光纤无法达到的不寻常波段中导出。参量放大本质上是量子受限的，甚至可以实现无噪声放大。

硅限制（Silicon limitations）

尽管它们具有吸引人的特性，但光纤中的光参量放大器，由于二氧化硅（silica）的弱克尔非线性（weak Kerr nonlinearity），导致它们非常高的泵浦功率要求而变得更加复杂。在过去的20年里，集成光子平台的进步显著增强了有效的克尔非线性，这在石英光纤（silica fibers）中是无法实现的，但还没有实现连续波放大器。

EPFL光子学和量子测量实验室（EPFL’s Laboratory of Photonics and Quantum Measurements at EPFL）负责人托拜厄斯·基彭贝格教授说：“在连续波状态下运行不仅仅是一项‘学术成就’。事实上，这对任何放大器的实际操作都至关重要，因为它意味着任何输入信号都可以被放大——例如，光学编码信息、来自LiDAR、传感器等的信号。时间和频谱连续的行波放大是在现代光通信系统中成功实现放大器技术以及光学传感和测距的新兴应用的关键。”

突破性光子芯片（Breakthrough photonic chip）

由托拜厄斯·基彭贝格小组的约翰·里门斯贝格（Johann Riemensberger）博士领导的一项新研究，现已通过开发基于在连续状态下运行的光子集成电路的行波放大器来解决这一挑战。约翰·里门斯贝格说：“我们的结果是集成非线性光子学十多年研究成果的结晶，也是对更低波导损耗的追求。”

研究人员使用超过2 m长的超低损耗氮化硅光子集成电路(silicon nitride photonic integrated circuit)，在3×5 mm²的光子芯片上构建了第一个行波放大器。该芯片在连续状态下运行，并在电信频段提供7 dB的片上净增益和2 dB的光纤到光纤净增益。查尔姆斯大学(Chalmers University)的维克托·托雷斯-康帕尼（Victor Torres-Company）小组和彼得·安德烈克森（Peter Andrekson）小组最近也实现了氮化硅（silicon nitride, Si₃N₄）片上净增益参量放大。本研究所使用的Si₃N₄芯片是在EPFL的微纳米技术中心(EPFL Center of MicroNanoTechnology 简称CMi)制作的。

未来，该团队可以使用精确的光刻控制来优化波导色散（waveguide dispersion），以实现超过 200 nm 的参数增益带宽。由于氮化硅的基本吸收损耗非常低（约 0.15 dB/m），进一步的制造优化可以将芯片的最大参数增益推高至 70 dB 以上，泵浦功率仅为 750 mW，超过了基于光纤的最佳性能放大器。

托拜厄斯·基彭贝格说：“这种放大器的应用领域是无限的，从可以将信号扩展到典型电信频段之外的光通信，到中红外或可见激光和信号放大，再到LiDAR或激光用于探测、感测和询问经典或量子信号的其他应用。”

本研究工作得到了美国空军科学研究办公室{ Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) under award no. FA9550-19-1-0250}、美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency简称DARPA)、微系统技术办公室(Microsystems Technology Office简称MTO)以及瑞士国家科学基金会{ Swiss National Science Foundation (SNSF) under grant agreement no. 192293；SNSF under an Ambizione Fellowship (201923)}的支持。

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Abstract

The ability to amplify optical signals is of pivotal importance across science and technology typically using rare-earth-doped fibres or gain media based on III–V semiconductors. A different physical process to amplify optical signals is to use the Kerr nonlinearity of optical fibres through parametric interactions^1,2. Pioneering work demonstrated continuous-wave net-gain travelling-wave parametric amplification in fibres³, enabling, for example, phase-sensitive (that is, noiseless) amplification⁴, link span increase⁵, signal regeneration and nonlinear phase noise mitigation⁶. Despite great progress^{7,8,9,10,11,12,13,14,15}, all photonic integrated circuit-based demonstrations of net parametric gain have necessitated pulsed lasers, limiting their practical use. Until now, only bulk micromachined periodically poled lithium niobate (PPLN) waveguide chips have achieved continuous-wave gain^16,17, yet their integration with silicon-wafer-based photonic circuits has not been shown. Here we demonstrate a photonic-integrated-circuit-based travelling-wave optical parametric amplifier with net signal gain in the continuous-wave regime. Using ultralow-loss, dispersion-engineered, metre-long, Si₃N₄ photonic integrated circuits¹⁸ on a silicon chip of dimensions 5×5 mm², we achieve a continuous parametric gain of 12 dB that exceeds both the on-chip optical propagation loss and fibre–chip–fibre coupling losses in the telecommunication C band. Our work demonstrates the potential of photonic-integrated-circuit-based parametric amplifiers that have lithographically controlled gain spectrum, compact footprint, resilience to optical feedback and quantum-limited performance, and can operate in the wavelength ranges from visible to mid-infrared and outside conventional rare-earth amplification bands.