Überarbeitung der Raman-Verstärkung und -Verstärkung in einer Silizium-Photonik-Plattform

Sterne emittieren Licht, das ohne wesentliche Dämpfung durch den leeren Raum wandert. Das visuelle Signal ist im Wesentlichen verlustfrei, bis es erkannt wird. Nach vielen Jahren und Milliarden von Kilometern könnten Sternenlicht-Photonen schließlich auf die Erdatmosphäre treffen und von der Netzhaut und dem Gehirn einer glücklichen Person als Fleck am Nachthimmel entschlüsselt werden.

Licht, das von einem Pumplaser emittiert wird, wünscht sich möglicherweise die gleiche Reise ohne Verluste, aber leider. Für optische Schaltungen, die für Computer und Kommunikation unerlässlich sind, wird Licht durch Wellenleiter gesendet. In einem Silizium-Wellenleiter wird das Licht nach einigen Zentimetern schwächer. Mit der richtigen Glasfaser (nichtkristallines Quarzkiesel, ein Siliziumoxid) können Photonen Hunderte von Kilometern zurücklegen, bevor die Dämpfung für die Informationsdecodierung zu stark wird.

Wie funktioniert also die Reise über 9.000 km transozeanische Glasfaserkommunikation? Antwort: Alle zehn Kilometer wird ein Glasfaserabschnitt mit Erbium beladen, einem Seltenerdelement, das das Wandersignal verstärkt. (Oh, und viele Schutzschichten für die Faser, weil Haie berüchtigt sind beißende Telekommunikations-/Internetverkabelung. Die genauen Gründe sind unklar.)

Man könnte meinen, wir hätten dann die Antwort auf die Signalverstärkung auf einem photonisch integrierten Schaltkreis (PIC). Chips sind relativ klein und die Wahrscheinlichkeit eines Haiangriffs minimal. Leider mussten erbiumdotierte Wellenleiterverstärker aufgegeben werden, da ihre Verstärkung und Ausgangsleistung nicht mit anderen Verstärkertechnologien mithalten konnten. Schlimmer noch, ihre Herstellung ist mit den heutigen Fertigungstechniken der photonischen Integration nicht kompatibel.

Der Weg zu einer verlustfreien Technologie für PIC ist also in den letzten zwanzig Jahren ein akademisches Forschungsthema geblieben, auch wenn in heutigen Chips „gute“ Technologien zur Verstärkung/Verstärkung von Signalen verwendet werden und wir uns damit abfinden, dass sie viel Strom benötigen .

Für PIC auf Siliziumbasis haben sich nichtlineare photophysikalische Eigenschaften als am vielversprechendsten erwiesen. Im Wesentlichen ermöglichen nichtlineare Effekte die Manipulation von Licht durch Licht. Da es sich um intrinsische Eigenschaften handelt, erfordert die Implementierung des nichtlinearen Verhaltens keine spezielle Materialverarbeitung. Es kann bei entsprechender Anregung direkt in einem Standardwellenleiter realisiert werden.

Geben Sie die Zusammenarbeit zwischen den kanadischen Professoren Shi und LaRochelle ein, in der berichtet wurde IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics: „Nicht-reziproke Submikrometer-Wellenleiter-Raman-Verstärker auf dem Weg zu verlustfreier Silizium-Photonik.“ Das Team nutzt neue Fertigungsangebote einer Gießerei, die PICs herstellt. Die Fähigkeiten dieser Gießerei ermöglichten es dem Team, die Raman-Verstärkung und -Verstärkung in einer Silizium-Photonik-Plattform zu überdenken.

Raman-Streuung überträgt üblicherweise Photonenenergie von einem Pumplaser auf Vibrationsmoden. Es ist Spektroskopikern bekannt, die nach einer materialspezifischen Signatur suchen. Diese Energieübertragung kann die Intensität eines Signals bei der Energie verstärken, die mit dem Gitterschwingungsmodus resonant ist. Die stimulierte Raman-Emission in Silizium wird zu einem starken nichtlinearen Effekt, insbesondere wenn die Wellenleiterabmessungen verkleinert werden.

Die gemeinsame Ausbreitung eines 20–100 mW-Pumplasers ermöglicht es, dass ein Signal seine Intensität beibehält oder sogar verstärkt wird. Unter Verwendung der gleichen Wellenleiterabmessungen, die in einen optischen Resonator konfiguriert wurden, demonstrierte dasselbe Team effizientes Lasern, das einen erweiterten Wellenlängenbereich um 1550 nm abdeckt.

Der Kampf um die Minderung von Verlusten in einem photonischen Schaltkreis findet viele Seiten. Wie in der Glasfasertechnik wurden Materialien mit geringeren Verlusten wie Siliziumnitrid entwickelt und sind entscheidend für Anwendungen, bei denen eine Verstärkung keine Option ist, beispielsweise in der Quantenphotonik. Hybride Materialkombinationen erscheinen als mögliche Wege sowohl für die Lichtmodulation als auch für die Verstärkung. Vorgeschlagene Lösungen sollten bis zu einem gewissen Grad von ihrer Integration mit etablierten Herstellungsmethoden sowie von cleveren Modifikationen, wie sie dieses Team nutzen konnte, geleitet werden.