El resultado del que hablan es un artículo publicado recientemente en Science [1] En la investigación, el equipo utilizó la implantación de iones de erbio de alta energía para dopar un. Guía de ondas óptica integrada de nitruro de silicio de pérdida ultrabaja con una longitud máxima de 0,5 metros. Esta tecnología de implantación de iones de tierras raras fue verificada en materiales de película delgada por Alberto Polman, profesor de los Laboratorios Bell en ese momento (que ahora trabaja en el Instituto Nacional de). Atomic and Molecular Research en los Países Bajos). El equipo logró esto garantizando la uniformidad del dopaje de iones. La concentración de dopaje atómico es tan alta como el 0,3% y el factor de superposición entre la distribución de iones de erbio y el campo del modo óptico es tan alto como. 50%, lo que tiene ventajas obvias en comparación con otros métodos de dopaje con iones de tierras raras.
Después del recocido a alta temperatura, la guía de ondas aún mantiene una pérdida de luz de fondo ultrabaja de menos de 5 dB por metro. , que equivale a menos del 50% de la pérdida de fondo de la señal óptica en una guía de ondas ópticas de 1 metro de largo. El equipo de investigación utilizó luz de bombeo con una longitud de onda de 1480 nm (aproximadamente 245 MW). se logra casi el 60%.
El rendimiento de amplificación del dispositivo relacionado no solo es comparable al rendimiento de ganancia de los amplificadores ópticos semiconductores integrados heterogéneos basados en silicio más avanzados, sino que también alcanza el nivel de algunos erbios comerciales. -fibras ópticas dopadas a nivel de amplificador Además, también demostraron la tecnología de implantación selectiva de iones, demostrando la viabilidad de definir arbitrariamente áreas dopadas con erbio en el chip y preparando así tanto una unidad de ganancia óptica como un chip fotónico integrado. Los dispositivos funcionales pasivos proporcionan una base técnica para la realización de chips fotónicos activos integrados monolíticos complejos y de gran escala.
En términos de aplicación, una de sus perspectivas de aplicación más directa es lograr un tamaño extremadamente pequeño y compacto. Los amplificadores ópticos de guía de ondas de alto rendimiento reemplazarán a los amplificadores de fibra de escritorio en algunos escenarios de aplicaciones que son sensibles al tamaño y peso del equipo, como centros de datos, dispositivos móviles y equipos aéreos y espaciales.
Además, esto El dispositivo se puede integrar con otros dispositivos funcionales fotónicos en el mismo chip fotónico para realizar dispositivos y sistemas funcionales más complejos y altamente integrados, como láseres de bajo ruido, láseres de longitud de onda sintonizables, motores de radar fotónicos, etc., para cumplir los requisitos de la comunicación e integración ópticas. Necesidades de investigación y aplicación en campos importantes como la fotónica de microondas y el almacenamiento de información cuántica.
Entre ellos, el becario postdoctoral del equipo, el Dr. Liu Yang, el estudiante de doctorado Qiu Zheru y el estudiante de doctorado. Ji Xinru son los autores principales del artículo; dos ex colegas, Ph.D. También involucrados en este trabajo, el primero trabaja actualmente en la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing y el segundo trabaja actualmente en el Instituto Internacional de Cuántica de Shenzhen. /p>
El título del artículo es "Un amplificador dopado con erbio basado en circuitos integrados fotónicos". Desde su publicación se ha publicado en la revista Science.
Un problema difícil que debe resolverse con urgencia: lograr una amplificación de señal óptica de alto rendimiento y baja diafonía en chips fotónicos integrados.
Según los informes, el amplificador de fibra dopada con erbio, como dispositivo que puede amplificar directamente señales ópticas débiles, se usa ampliamente en redes de comunicación de fibra óptica de larga distancia y varios láseres de fibra. El amplificador de fibra dopada con erbio se realiza inyectando iones de erbio (er) en el núcleo de la fibra óptica, de modo que la señal óptica en la banda de comunicación pueda amplificarse directamente bajo la excitación de la fuente de luz de la bomba.
En las últimas dos décadas, la tecnología de chips fotónicos integrados se ha desarrollado rápidamente y el tamaño y el consumo de energía de los dispositivos de procesamiento de señales fotónicas también se han reducido considerablemente. Sin embargo, lograr una amplificación de señal óptica de alto rendimiento y baja diafonía en chips fotónicos integrados ha sido un problema difícil.
El equipo inyectó directamente iones de erbio de tierras raras de alta concentración en el chip fotónico integrado para realizar un amplificador de guía de ondas ópticas integrado. Por primera vez, logró un rendimiento comparable al de los amplificadores de fibra comerciales y resolvió el problema. de la integración de amplificadores ópticos de alta potencia y amplificadores ópticos de baja potencia. Cuestiones clave en dispositivos fotónicos importantes, como los láseres de ruido y los láseres de modo bloqueado de alta potencia de pulso.
Los antecedentes de su investigación comienzan en la década de 1980. En ese momento, investigadores como Sir D. N. Payne del Centro de Optoelectrónica de la Universidad de Southampton en el Reino Unido, un experto en fotónica de renombre internacional, y Emmanuel de Souvert, físico de los Laboratorios Bell, inventaron el amplificador de fibra dopado con erbio. es un avance revolucionario en la tecnología de comunicación por fibra óptica.
La fibra óptica inventada por Kao Kun, físico chino y Premio Nobel de Física, sentó las bases de las comunicaciones ópticas. Sin embargo, sólo después de que los amplificadores de fibra óptica reemplazaron a los repetidores eléctricos tradicionales con un rendimiento limitado, la tecnología de comunicación óptica se desarrolló rápidamente y las personas pueden comunicarse con todas partes del mundo a través de redes de comunicación de fibra óptica transoceánicas de larga distancia en todo el mundo.
Iones de tierras raras, como erbio, iterbio, tulio, etc. Con una estructura electrónica de capa 4f única, tienen una vida útil en estado excitado de varios milisegundos en el material anfitrión, lo que favorece la inversión del número de partículas, amplificando así la señal óptica. Al mismo tiempo, la larga vida útil del estado excitado de milisegundos puede reducir en gran medida la diafonía entre señales ópticas en diferentes bandas de longitud de onda, lo que permite amplificar señales ópticas de múltiples longitudes de onda en un amplificador, lo que aumenta considerablemente la capacidad del canal.
El coeficiente de ruido de los amplificadores de fibra comerciales está ahora muy cerca del rendimiento de ruido límite (3 dB) de los amplificadores ópticos no sensibles a la fase determinado por la mecánica cuántica. Debido a estas características, los amplificadores de fibra basados en dopaje con iones de tierras raras se han convertido en medios de ganancia ideales en la tecnología de comunicación óptica.
Además, los amplificadores de fibra desempeñan un papel vital en casi todas las aplicaciones de láser de fibra, como la detección de fibra, la medición de frecuencia, el lidar, el procesamiento láser y otras aplicaciones. En el reloj atómico más preciso del mundo, un peine de frecuencia óptica es un componente clave que convierte la frecuencia de la luz en radiofrecuencia, y también se utiliza un amplificador de fibra dopado con iones de tierras raras.
Debido a las ventajas de rendimiento y al gran éxito de los amplificadores de fibra basados en iones de tierras raras, la realización de amplificadores de guía de ondas basados en iones de tierras raras en chips fotónicos integrados se ha convertido naturalmente en un importante objetivo de investigación, que El desarrollo de la fotónica integrada es de gran importancia y puede llenar el vacío en la tecnología de amplificación óptica de bajo ruido en chips fotónicos integrados.
En los últimos 30 años, muchos grupos de todo el mundo han intentado desarrollar amplificadores de guía de ondas dopados con iones de tierras raras. Por ejemplo, en la década de 1990, los Laboratorios Bell llevaron a cabo una investigación pionera sobre amplificadores de guía de ondas dopados con erbio. Sin embargo, debido a limitaciones como el gran tamaño, la alta pérdida y la incompatibilidad con la moderna tecnología de micronanoprocesamiento de chips fotónicos integrados, la investigación relacionada se ha detenido gradualmente.
En la última década, con el rápido desarrollo de la fotónica integrada y la mejora continua de la tecnología de procesamiento de dispositivos, los investigadores han renovado su interés en realizar amplificadores de guía de ondas dopados con erbio en plataformas convencionales de material fotónico integrado. Anteriormente, los equipos habían preparado amplificadores de alúmina dopada con erbio y niobato de litio dopado con erbio.
Sin embargo, la potencia de salida reportada de los amplificadores de guía de ondas fotónicas integradas es mucho menor que 1 MW(