超宽带光电子集成芯片参数放大器

引言

光放大是现代通信网络的基础技术，使数据能够在不衰减的情况下传输较远距离。近年来，电信行业主要依靠掺铒光纤放大器（EDFAs）实现这一目标。然而，EDFAs仅覆盖光纤低损耗光谱的一部分，限制了可用于数据传输的带宽。这一限制促使研究人员开发能够在铒增益窗口之外工作的新型放大器[1]。

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光参量放大器的发展历程

光参量放大器（OPAs）已经成为EDFAs的有希望替代品。这些器件利用材料的固有三阶光学非线性特性，在宽波长范围内产生增益。OPAs具有多种独特优势：提供高增益，可以达到相位保留放大器的量子噪声极限（3-dB），并表现出单向操作特性，使其对光反馈具有抵抗力。

基于高度非线性光纤或体波导的传统OPAs已经被证明可行，但其高功率需求阻碍了广泛应用。相比之下，基于光电子集成芯片的OPAs可以实现模式限制和光学非线性的大幅增强，潜在地降低功率需求和器件尺寸。然而，先前的集成OPAs在带宽方面受到限制。

图1：集成波导中光参量放大的原理、EDFAs与GaP基参量放大器之间的放大带宽比较，以及制造的光电子集成芯片的显微镜图像。

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磷化镓：理想的材料平台

光电子集成技术的最新突破表明，二氧化硅上的磷化镓（GaP）为非线性光学应用提供了出色的平台。GaP结合了三个关键特性：

• 高光学折射率（n = 3.05）
• 强克尔非线性（n₂ = 1.1 × 10⁻¹⁷ m² W⁻¹）
• 间接带隙（Eₓ = 2.24 eV），足够大，能够减轻电信波长下的双光子吸收
  

这些特性使GaP成为开发紧凑、高性能OPAs的理想材料。本研究中描述的GaP波导的有效非线性估计为γ = 165 W⁻¹ m⁻¹，比报道的Si₃N₄波导（0.51 W⁻¹ m⁻¹）大300多倍。这一显著改进使波导长度减少了35倍，器件占用面积减少了60倍。

制造技术的进步也将GaP波导的光传播损耗降低到平均0.8 dB cm⁻¹（在S波段、C波段和L波段内）。这些发展使得成功制造占用面积仅为500 × 500 μm²的厘米长波导螺旋成为可能。

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光参量放大的工作原理

该OPA使用单一泵浦通过简并四波混频（FWM）放大信号，利用光学克尔效应。在这个过程中，光能量通过湮灭两个泵浦光子来放大单独频率的信号光子，同时在距离泵浦等距但方向相反的频率处产生相位共轭的闲频光子。

光学克尔效应的近乎瞬时作用需要在波导中进行相位匹配才能进行高效放大。当色散略为反常（β₂ < 0）且线性相位失配被源自自相位和交叉相位调制的非线性相位失配补偿时，可以实现最大的光学带宽。

图2：测量宽带参量放大的实验装置、不同泵浦功率下的放大光谱以及OPA的噪声系数测量结果。

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实验结果：卓越性能

研究人员操作OPA，使用1550 nm的单一泵浦通过简并四波混频放大信号。实验测量显示了显著的性能特点：

• 高增益：最大的光纤到光纤净增益达到25 dB。
• 超宽带宽：组合的信号和闲频10-dB增益带宽超过140 nm（17 THz），这几乎是此前Si₃N₄研究报告的10倍，并且比单个C波段EDFA的带宽大近3倍。
• 动态范围：该器件展示了在大动态范围内实现低噪声高增益放大的能力，跨越了六个数量级的输入功率。
• 低噪声系数：在小信号增益区域，芯片外噪声系数接近6 dB，而对于饱和以下的大范围信号功率，芯片上噪声系数低于4 dB。
• 高输出功率：在4.43 W的泵浦功率下，饱和的芯片外信号输出功率超过125 mW，对应于波导输出处的芯片上功率为220 mW。
  
  

这些性能指标显著超过了之前的集成OPAs，并且与传统的基于光纤的系统相比具有竞争力或更为优越。

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应用：频率梳放大

为了展示宽带GaP OPA的应用潜力，研究人员使用低功率和高重复率频率梳源作为信号进行了放大实验。

图3：使用GaP OPA放大光频率梳，展示了电光频率梳和耗散克尔孤子频率梳的放大和频率转换，显示超过20 dB的光纤到光纤净增益。

测试了两种类型的频率梳：

• 电光（EO）频率梳：中心在1600 nm，线间隔为16 GHz，总信号功率为10.5 μW。当通过放大器与1550 nm的4.12 W泵浦一起传输时，观察到超过20 dB的光纤到光纤净增益。
• 耗散克尔孤子频率梳：在Si₃N₄微环谐振器中产生，总功率为76 μW，重复率为100 GHz。在最高增益的光谱区域，单个线的输入功率降低到几纳瓦的水平，但这些仍然被成功放大。
  

如预期所示，对于两种类型的频率梳，都产生了相对于泵浦频率镜像的闲频梳，将输出光谱的线密度翻倍。放大产生的平坦光谱证明了GaP OPA能够处理宽带宽内的数百条线的同时输入，同时保持高增益。

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相干通信演示

为了进一步展示GaP OPA在相干通信中的应用潜力，研究人员设置了一个10-GBd通信线路。

图4：相干数据传输实验装置和结果，显示了光纤到光纤参考、放大信号和生成闲频的星座图。

在这个实验中：

• 将四相移键控（QPSK）编码的伪随机比特序列在1605 nm（L波段）的信号波长发送到OPA。
• 对放大后的信号进行了外差测量。
• 使用另一台激光器作为本地振荡器，研究人员测量了到位于约1502 nm（S波段）的闲频的调制转移。
  

实现的内部增益超过30 dB，足以补偿芯片上的耦合和传播损耗（在所选信号波长处总计约10 dB），以及分配器、滤波段和波长分复用器中的损耗。

对所有三个测量—光纤参考、信号和闲频—估计了调制误差比（MER）。闲频转换效率足够高，能够产生与放大信号相同功率水平的闲频，消除了进一步后放大的需要。

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优势和未来展望

基于GaP的OPA解决了阻碍光纤OPA系统广泛使用的几个关键挑战：

• 色散控制：波导的色散可以根据需要设计，因为它是光刻定义的。
• 紧凑尺寸：波导的短长度确保了宽带宽，并降低了对制造缺陷的敏感性。
• 减少布里渊散射：集成波导的低布里渊增益消除了添加泵浦相位调制器的技术复杂性。
• 潜在的更低噪声：OPA原则上可以通过作为相位敏感放大器运行，达到比EDFA更低的噪声系数，将噪声降低到量子极限以下，同时将峰值增益提高6 dB。
  
  

这些超宽带、高增益、基于光电子集成芯片的OPAs有潜力从实验室过渡到未来的光通信系统。潜在应用包括：

• 扩展带宽通信：利用EDFA增益窗口之外的波长范围。
• 激光雷达：放大用于距离测量和映射的弱光信号。
• 自由空间通信：为空间到地面链路提供宽带宽增益。
• 传感应用：在定制波段运行，如用于甲烷检测的1650 nm。
• 光学相干断层扫描：在1300 nm提供放大，这个波长处目前没有基于稀土离子的芯片级放大器。
  

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结论

紧凑、超宽带、高增益、基于光电子集成芯片的OPA的演示标志着光子技术的重要里程碑。通过利用磷化镓的优异特性，研究人员创造了一种光放大器，结合了传统光纤OPAs的优势以及光电子集成的紧凑性和可扩展性。

凭借达到25 dB的最大光纤到光纤净增益和140 nm的10-dB增益带宽，这类新型放大器大大优于现有的集成解决方案，并且与笨重的基于光纤的系统相比具有相似或更优的性能。对频率梳和相干通信信号的放大能力进一步凸显了这些器件的实用价值。

END