Photonisch integrierte erbiumdotierte Verstärker erreichen kommerzielle Leistung

Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) sind Vorrichtungen, die die optische Signalleistung in optischen Fasern verstärken können. Sie werden häufig in Glasfaserkabeln für die Fernkommunikation und faserbasierten Lasern verwendet. EDFAs wurden in den 1980er Jahren erfunden und haben unsere Informationsgesellschaft tiefgreifend beeinflusst, indem sie die Übertragung von Signalen über den Atlantik ermöglichten und elektrische Repeater ersetzten.

Das Interessante an Erbium-Ionen in der optischen Kommunikation ist, dass sie Licht im Wellenlängenbereich von 1,55 mm verstärken können, wo optische Fasern auf Siliziumdioxidbasis die geringsten Übertragungsverluste aufweisen. Die einzigartige elektronische Intra-4-f-Schalenstruktur von Erbium – und Seltenerdionen im Allgemeinen – ermöglicht langlebige angeregte Zustände, wenn sie in Wirtsmaterialien wie Glas dotiert werden. Dies bietet ein ideales Verstärkungsmedium für die gleichzeitige Verstärkung mehrerer informationstragender Kanäle mit vernachlässigbarem Übersprechen, hoher Temperaturstabilität und geringem Rauschen.

Die optische Verstärkung wird auch in praktisch allen Laseranwendungen eingesetzt, von der Fasererfassung und Frequenzmesstechnik bis hin zu industriellen Anwendungen, einschließlich Laserbearbeitung und LiDAR. Heute sind optische Verstärker auf der Basis von Seltenerd-Ionen das Arbeitstier für optische Frequenzkämme, die zur Herstellung der weltweit genauesten Atomuhren verwendet werden.

Das Erzielen einer Lichtverstärkung mit Seltenerdionen in photonischen integrierten Schaltkreisen kann die integrierte Photonik transformieren. In den 1990er Jahren befassten sich die Bell Laboratories mit Erbium-dotierten Wellenleiterverstärkern (EDWAs), gaben sie jedoch letztendlich auf, weil ihre Verstärkung und Ausgangsleistung nicht mit faserbasierten Verstärkern mithalten konnten, während ihre Herstellung nicht mit modernen Herstellungstechniken für photonische Integration funktionierte.

Selbst mit dem jüngsten Aufstieg der integrierten Photonik konnten erneute Bemühungen um EDWAs nur weniger als 1 mW Ausgangsleistung erreichen, was für viele praktische Anwendungen nicht ausreicht. Das Problem hier war ein hoher Wellenleiter-Hintergrundverlust, eine hohe kooperative Aufwärtskonvertierung – ein verstärkungsbegrenzender Faktor bei hoher Erbiumkonzentration – oder die seit langem bestehende Herausforderung, Wellenleiterlängen im Metermaßstab in kompakten photonischen Chips zu erreichen.

Jetzt haben Forscher der EPFL unter der Leitung von Professor Tobias J. Kippenberg eine EDWA auf der Basis von Siliziumnitrid (Si3N4) photonischen integrierten Schaltkreisen mit einer Länge von bis zu einem halben Meter auf einer Grundfläche im Millimeterbereich gebaut, die eine Rekordausgangsleistung von mehr als erzeugt 145 mW und bietet eine Kleinsignal-Nettoverstärkung von über 30 dB, was im Dauerbetrieb einer über 1000-fachen Verstärkung im Telekommunikationsband entspricht. Diese Leistung entspricht den kommerziellen High-End-EDFAs sowie hochmodernen heterogen integrierten III-V-Halbleiterverstärkern in der Siliziumphotonik.

„Wir haben die seit langem bestehende Herausforderung gemeistert, indem wir die Ionenimplantation – einen Prozess im Wafermaßstab, der von einer sehr geringen kooperativen Aufwärtskonvertierung selbst bei einer sehr hohen Ionenkonzentration profitiert – auf die integrierten photonischen Schaltkreise aus Siliziumnitrid mit ultraniedrigem Verlust angewendet haben“, sagt Dr. Yang Liu, a Forscher in Kippenbergs Labor und leitender Wissenschaftler der in veröffentlichten Studie Wissenschaft.

„Dieser Ansatz ermöglicht es uns, einen geringen Verlust, eine hohe Erbiumkonzentration und einen großen Moden-Ionen-Überlappungsfaktor in kompakten Wellenleitern mit Längen im Meterbereich zu erreichen, die zuvor jahrzehntelang ungelöst blieben“, sagt Zheru Qiu, Ph.D. Student und Co-Autor der Studie.

„Der Betrieb mit hoher Ausgangsleistung und hoher Verstärkung ist nicht nur eine akademische Errungenschaft, sondern für den praktischen Betrieb eines jeden Verstärkers von entscheidender Bedeutung, da er impliziert, dass jedes Eingangssignal die Leistungspegel erreichen kann, die für große Entfernungen ausreichen -Speed-Datenübertragung und schrotrauschbegrenzte Detektion; es signalisiert auch, dass mit diesem Ansatz endlich Femtosekundenlaser mit hoher Pulsenergie auf einem Chip möglich werden“, sagt Kippenberg.

Der Durchbruch signalisiert eine Renaissance von Ionen der Seltenen Erden als brauchbare Verstärkungsmedien in der integrierten Photonik, da die Anwendungen von EDWAs praktisch unbegrenzt sind, von optischer Kommunikation und LiDAR für autonomes Fahren bis hin zu Quantensensorik und Speichern für große Quantennetzwerke. Es wird erwartet, dass Folgestudien ausgelöst werden, die noch mehr Seltenerd-Ionen abdecken und eine optische Verstärkung vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarotbereich des Spektrums und eine noch höhere Ausgangsleistung bieten.