Gli scienziati dell’EPFL hanno sviluppato circuiti integrati fotonici che hanno dimostrato un nuovo principio di amplificazione della luce su un chip di silicio. Questo principio può essere utilizzato per segnali ottici come quelli utilizzati nel Lidar, negli amplificatori in fibra transoceanica o nelle telecomunicazioni dei centri dati.
La capacità di ottenere un’amplificazione quantistica dei segnali ottici nelle fibre ottiche è probabilmente una delle più importanti scoperte tecnologiche della nostra moderna società dell’informazione. Nelle telecomunicazioni ottiche, la scelta di una banda di lunghezza d’onda di 1550 nm è motivata non solo dalle perdite minime delle fibre ottiche di silice (scoperta premiata con il Nobel per la Fisica 2008), ma anche dall’esistenza di modi per amplificare questi segnali, essenziali per le comunicazioni transoceaniche tramite fibre ottiche.
L’amplificazione ottica svolge un ruolo fondamentale in quasi tutte le tecnologie laser, come le comunicazioni ottiche, utilizzate ad esempio nei data center per la comunicazione tra server e continenti tramite collegamenti in fibra transoceanici, o le applicazioni di telemetria come il LiDAR coerente a modulazione di frequenza a onda continua (FMCW), una tecnologia emergente che consente di rilevare e tracciare gli oggetti più lontano, più velocemente e con una precisione senza precedenti. Oggi gli amplificatori ottici basati su ioni di terre rare, come l’erbio, e su semiconduttori III-V sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni reali.
Entrambi gli approcci si basano sull’amplificazione attraverso transizioni ottiche. Esiste però un altro paradigma di amplificazione del segnale ottico: gli amplificatori parametrici a onda mobile, che consentono di amplificare il segnale variando un piccolo "parametro" del sistema, come la capacità o la non linearità di una linea di trasmissione.
Amplificatori ottici parametrici
Dagli anni ’80 è noto che la non linearità intrinseca delle fibre ottiche può essere sfruttata anche per creare amplificatori parametrici a onde progressive, il cui guadagno è indipendente dalle transizioni atomiche o dei semiconduttori, il che significa che può essere a banda larga e coprire virtualmente qualsiasi lunghezza d’onda.
Gli amplificatori parametrici, inoltre, non soffrono di un segnale di ingresso minimo, il che significa che possono essere utilizzati per amplificare sia i segnali più deboli che le alte potenze in ingresso nello stesso ambiente. Infine, lo spettro di guadagno può essere adattato ottimizzando la geometria della guida d’onda e l’ingegneria della dispersione, offrendo una grande flessibilità di progettazione per le lunghezze d’onda e le applicazioni desiderate.
Ancora più interessante è la possibilità di ottenere un guadagno parametrico in bande di lunghezza d’onda insolite, al di là della portata dei semiconduttori convenzionali o delle fibre drogate con terre rare. L’amplificazione parametrica è intrinsecamente limitata dal punto di vista quantistico e può persino raggiungere un’amplificazione priva di rumore.
I limiti del silicio
Nonostante le loro caratteristiche interessanti, gli amplificatori ottici parametrici in fibra hanno requisiti di potenza di pompaggio molto elevati, dovuti alla bassa non-linearità Kerr della silice. Negli ultimi due decenni, i progressi delle piattaforme fotoniche integrate hanno migliorato notevolmente l’effettiva non linearità Kerr che non può essere raggiunta nelle fibre di silice, ma non hanno reso possibile la creazione di amplificatori a onda continua.
"Il funzionamento a onde continue non è solo un risultato accademico", afferma il professor Tobias Kippenberg, direttore del Laboratorio di fotonica e misure quantistiche dell’EPFL. "In effetti, è essenziale per il funzionamento pratico di qualsiasi amplificatore, in quanto implica che qualsiasi segnale in ingresso può essere amplificato, ad esempio informazioni codificate otticamente, segnali provenienti da LiDAR o sensori". L’amplificazione delle onde viaggianti, continua nel tempo e nello spettro, è essenziale per il successo dell’implementazione delle tecnologie di amplificazione nei moderni sistemi di comunicazione ottica e nelle applicazioni emergenti di rilevamento e misurazione ottica."
Un chip fotonico rivoluzionario
Guidato da Johann Riemensberger del team di Tobias Kippenberg, un recente studio ha raccolto la sfida sviluppando un amplificatore di onde viaggianti basato su un circuito integrato fotonico che opera nel regime continuo. "I nostri risultati sono il culmine di oltre un decennio di lavoro nella fotonica non lineare integrata e di sforzi per limitare ulteriormente le perdite della guida d’onda", spiega Johann Riemensberger.
I ricercatori hanno utilizzato un circuito integrato fotonico in nitruro di silicio a bassissima perdita, lungo più di due metri, per creare il primo amplificatore a onda mobile su un chip fotonico di 3x5 mm2. Il chip funziona in modalità continua e offre un guadagno netto su chip di 7 dB e un guadagno netto su fibra di 2 dB nelle bande di telecomunicazione. Anche l’amplificazione parametrica a guadagno netto su chip in nitruro di silicio è stata recentemente realizzata dai gruppi di Victor Torres-Company e Peter Andrekson dell’Università Chalmers.
In futuro, il team potrà utilizzare un controllo litografico preciso per ottimizzare la dispersione della guida d’onda e ottenere una larghezza di banda di guadagno parametrica di oltre 200 nm. Poiché la perdita di assorbimento fondamentale del nitruro di silicio è molto bassa (circa 0,15 dB/metro), ulteriori ottimizzazioni produttive possono spingere il guadagno parametrico massimo del chip oltre i 70 dB con soli 750 mW di potenza di pompa, superando le prestazioni dei migliori amplificatori in fibra.
"Le aree di applicazione di questi amplificatori sono illimitate", continua Tobias Kippenberg. "Dalle comunicazioni ottiche, in cui i segnali possono essere estesi oltre le bande di telecomunicazione convenzionali, all’amplificazione dei segnali e dei laser nel medio infrarosso o nel visibile, fino al LiDAR o ad altre applicazioni in cui i laser vengono utilizzati per sondare, rilevare e interrogare segnali classici o quantistici".
Riferimenti
Johann Riemensberger, Junqiu Liu, Nikolai Kuznetsov, Jijun He, Rui Ning Wang, Tobias J. Kippenberg. Amplificatore parametrico a onde continue basato su chip fotonici. Natura 30 novembre 2022. DOI: 10.1038/s41586’022 -05329-1
