光の増幅を可能にするフォトニクスチップ(Photonics chip allows light amplification)

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2022-12-01 スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)

科学者たちは、シリコンチップ上で光増幅の新しい原理を実証するフォトニック集積回路を開発した。ライダー、大洋横断ファイバー増幅器、データセンター通信などで使用される光信号に利用することができる。
研究者らは、長さ2メートル以上の超低損失窒化ケイ素フォトニック集積回路を用いて、3×5 mm2サイズのフォトニックチップ上に初の進行波型増幅器を作製した。このチップは連続領域で動作し、通信帯域においてチップ上で7dB、ファイバー間で2dBの純利得を実現した。
将来的には、精密なリソグラフィー制御により導波路分散を最適化し、200 nm以上のパラメトリック利得帯域幅を実現することが可能である。また、窒化ケイ素の基本的な吸収損失は非常に小さいため(約0.15 dB/m)、さらなる製造上の最適化により、わずか750 mWのポンプ電力でチップの最大パラメトリック利得を70 dB以上に高めることができ、最高のファイバベース増幅器の性能を超えることができる。

<関連情報>

フォトニック集積型連続進行波パラメトリック増幅器 A photonic integrated continuous-travelling-wave parametric amplifier

Johann Riemensberger,Nikolai Kuznetsov,Junqiu Liu,Jijun He,Rui Ning Wang & Tobias J. Kippenberg
Nature  Published:30 November 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05329-1

Abstract

The ability to amplify optical signals is of pivotal importance across science and technology typically using rare-earth-doped fibres or gain media based on III–V semiconductors. A different physical process to amplify optical signals is to use the Kerr nonlinearity of optical fibres through parametric interactions1,2. Pioneering work demonstrated continuous-wave net-gain travelling-wave parametric amplification in fibres3, enabling, for example, phase-sensitive (that is, noiseless) amplification4, link span increase5, signal regeneration and nonlinear phase noise mitigation6. Despite great progress7,8,9,10,11,12,13,14,15, all photonic integrated circuit-based demonstrations of net parametric gain have necessitated pulsed lasers, limiting their practical use. Until now, only bulk micromachined periodically poled lithium niobate (PPLN) waveguide chips have achieved continuous-wave gain16,17, yet their integration with silicon-wafer-based photonic circuits has not been shown. Here we demonstrate a photonic-integrated-circuit-based travelling-wave optical parametric amplifier with net signal gain in the continuous-wave regime. Using ultralow-loss, dispersion-engineered, metre-long, Si3N4 photonic integrated circuits18 on a silicon chip of dimensions 5 × 5 mm2, we achieve a continuous parametric gain of 12 dB that exceeds both the on-chip optical propagation loss and fibre–chip–fibre coupling losses in the telecommunication C band. Our work demonstrates the potential of photonic-integrated-circuit-based parametric amplifiers that have lithographically controlled gain spectrum, compact footprint, resilience to optical feedback and quantum-limited performance, and can operate in the wavelength ranges from visible to mid-infrared and outside conventional rare-earth amplification bands.

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