Wissenschaftler der EPFL haben einen kompakten Wellenleiterverstärker hergestellt, indem sie erfolgreich Seltenerdionen in integrierte photonische Schaltkreise integriert haben. Dieses Bauelement erzeugt im Vergleich zu handelsüblichen Faserverstärkern eine Rekordausgangsleistung - ein Novum in der Entwicklung der integrierten Photonik in den letzten Jahrzehnten.
Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) können eine Leistungssteigerung des optischen Signals in Glasfasern bewirken und werden häufig in Glasfaserkabeln für die Langstreckenkommunikation und in Faserlasern eingesetzt. EDFAs wurden in den 1980er Jahren erfunden und sind zweifellos eine der bedeutendsten Erfindungen. Sie haben unsere Informationsgesellschaft grundlegend verändert, indem sie die Weiterleitung von Signalen über den Atlantik ermöglichten und elektrische Repeater ersetzten.
Erbiumionen sind in der optischen Kommunikation von Vorteil, da sie Licht im Wellenlängenbereich von 1,55 mm verstärken können, wo Glasfasern auf Siliziumdioxidbasis den geringsten Transmissionsverlust aufweisen. Die einzigartige Intra-4-f-Elektronenstruktur von Erbium - und von Seltenerdionen im Allgemeinen - ermöglicht dauerhafte angeregte Zustände, wenn sie in Wirtsmaterialien wie Glas dotiert werden. Dies bietet ein ideales aktives Medium für die gleichzeitige Verstärkung mehrerer informationstragender Kanäle mit vernachlässigbarer Interferenz, hoher thermischer Stabilität und geringer Rauschzahl.
Optische Verstärker werden auch bei fast allen Laseranwendungen eingesetzt, von der Fasererkennung und Frequenzmetrologie bis hin zu industriellen Anwendungen wie Laserbearbeitung und LiDAR. Heute sind optische Verstärker auf der Basis von Seltenerdionen zum unverzichtbaren Bestandteil optischer Frequenzkämme (Nobelpreis für Physik 2005) geworden, mit denen die genauesten Atomuhren der Welt hergestellt werden.
Die Verstärkung von Licht mit Seltenerdionen in einem photonischen integrierten Schaltkreis kann die integrierte Photonik verändern. Bereits in den 1990er Jahren interessierten sich die Bell Laboratories für Erbium-dotierte Wellenleiterverstärker (EDWA), gaben sie aber schließlich auf.Die EDWAs wurden jedoch wieder eingestellt, da ihre Verstärkung und Ausgangsleistung nicht mit der von Faserverstärkern mithalten konnte und ihre Herstellung nicht für die zeitgenössischen Techniken der Photonikintegration geeignet war.
Selbst mit dem jüngsten Aufschwung der integrierten Photonik haben die erneuten Bemühungen um EDWAs nur eine Ausgangsleistung von weniger als 1 mW erreicht, was für viele praktische Anwendungen unzureichend ist. Die Probleme waren ein hoher Hintergrundverlust im Wellenleiter, eine hohe kooperative Aufwärtskonversion - ein Faktor, der die Verstärkung bei eine hohe Erbiumkonzentration, oder die seit langem bestehende Herausforderung, Wellenleiterlängen im Meterbereich in kompakten photonischen Chips zu erreichen.
Nun haben Forscherinnen und Forscher der EPFL unter der Leitung von Tobias J. Kippenberg, ein EDWA entwickelt, das auf photonischen integrierten Schaltungen aus Siliziumnitrid (Si3N4) mit einer Länge von bis zu einem halben Meter und einem Footprint im Millimeterbereich basiert. Dies erzeugt eine Rekordausgangsleistung von mehr als 145 mW und bietet eine Nettokleinsignalverstärkung von mehr als 30 dB, was zu einer mehr als 1000-fachen Verstärkung im Telekommunikationsband im Dauerbetrieb führt. Diese Leistung entspricht der von handelsüblichen High-End-EDFA-Verstärkern sowie der von heterogen integrierten III-V-Halbleiterverstärkern in der Silizium-Photonik.
Wir haben diese alte Herausforderung gemeistert, indem wir die Ionenimplantation angewandt haben - ein Verfahren im Wafermaßstab, das von einer sehr geringen kooperativen Aufwärtskonversion profitiert.selbst bei sehr hoher Ionenkonzentration - auf sehr verlustarme integrierte photonische Schaltungen aus Siliziumnitrid", sagt Yang Liu, Forscher im Labor von Tobias J. Liu. Kippenberg, und Hauptwissenschaftler der Studie.
Dieser Ansatz ermöglicht es uns, geringe Verluste, eine hohe Erbiumkonzentration und einen großen Mode-Ionen-Überlappungsfaktor in kompakten Wellenleitern mit einer Länge von 1,5 Metern zu erreichen.mit einer Länge von einem Meter, was seit Jahrzehnten nicht mehr gelöst wurde", erklärt Zheru Qiu, Doktorand und Koautor der Studie.
Der Betrieb mit hoher Ausgangsleistung und Verstärkung ist nicht nur eine akademische Errungenschaft. Es ist entscheidend für den praktischen Betrieb jedes Verstärkers, denn es bedeutet, dass jedes Eingangssignal Leistungspegel erreichen kann, die für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung über große Entfernungen und die durch Quantenrauschen begrenzte Detektion ausreichen. Das bedeutet auch, dass Femtosekundenlaser mit hoher Pulsenergie auf einem Chip dank dieses Ansatzes möglich sind", präzisiert Tobias J. Kippenberg.
Dieser Durchbruch markiert eine Renaissance der Seltenerdionen als brauchbare Gewinnträger in der integrierten Photonik, denn die Anwendungen von EDWAs sind praktisch unbegrenzt, von optischer Kommunikation und LiDAR für autonomes Fahren bis hin zu Quantensensoren und Speichern für große Quantennetzwerke. Die Arbeiten sollten zu Folgestudien an einer größeren Anzahl von Seltenerdionen führen, die einen optischen Gewinn vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarotbereich des Spektrums und eine noch höhere Ausgangsleistung bieten.
ReferenzenYang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, Anton Lukashchuk, Jijun He, Johann Riemensberger, Martin Hafermann, Rui Ning Wang, Junqiu Liu, Carsten Ronning, and Tobias J. Kippenberg. A photonic integrated circuit based erbium-doped amplifier. Science, 17Juni2022. abo2631
