Un amplificador de guía de ondas dopado con erbio en un chip fotónico integrado de tamaño 1X1 cm2, con emisión verde de iones de erbio excitados. Crédito:Laboratorio de Fotónica y Medidas Cuánticas de la EPFL (LPQM)/Niels Ackermann.
Los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) son dispositivos que pueden proporcionar ganancia a la potencia de la señal óptica en las fibras ópticas. A menudo se utilizan en cables de fibra óptica de comunicación de larga distancia y láseres basados en fibra. Inventados en la década de 1980, los EDFA han impactado profundamente en nuestra sociedad de la información al permitir que las señales se enruten a través del Atlántico y reemplacen a los repetidores eléctricos.
Lo interesante de los iones de erbio en las comunicaciones ópticas es que pueden amplificar la luz en la región de longitud de onda de 1,55 mm, que es donde las fibras ópticas basadas en sílice tienen la pérdida de transmisión más baja. La exclusiva estructura electrónica de capa intra-4-f del erbio, y de los iones de tierras raras en general, permite estados excitados de larga duración cuando se dopa dentro de materiales anfitriones como el vidrio. Esto proporciona un medio de ganancia ideal para la amplificación simultánea de múltiples canales portadores de información, con diafonía insignificante, estabilidad a alta temperatura y bajo nivel de ruido.
La amplificación óptica también se utiliza en prácticamente todas las aplicaciones láser, desde detección de fibra y metrología de frecuencia, hasta aplicaciones industriales, incluido el mecanizado láser y LiDAR. Hoy en día, los amplificadores ópticos basados en iones de tierras raras se han convertido en el caballo de batalla de los peines de frecuencia óptica, que se utilizan para crear los relojes atómicos más precisos del mundo.
Lograr la amplificación de la luz con iones de tierras raras en un circuito fotónico integrado puede transformar la fotónica integrada. En la década de 1990, Bell Laboratories estaba buscando amplificadores de guía de ondas dopados con erbio (EDWA), pero finalmente los abandonó porque su ganancia y potencia de salida no podían igualar los amplificadores basados en fibra, mientras que su fabricación no funciona con técnicas de fabricación de integración fotónica contemporáneas.
Incluso con el reciente auge de la fotónica integrada, los esfuerzos renovados en EDWA solo han podido lograr una potencia de salida de menos de 1 mW, que no es suficiente para muchas aplicaciones prácticas. El problema aquí ha sido la alta pérdida de fondo de la guía de ondas, la alta conversión ascendente cooperativa, un factor que limita la ganancia a una alta concentración de erbio, o el desafío de larga data para lograr longitudes de guía de ondas a escala de un metro en chips fotónicos compactos.
Ahora, los investigadores de la EPFL, dirigidos por el profesor Tobias J. Kippenberg, han construido un EDWA basado en nitruro de silicio (Si3 N4 ) circuitos integrados fotónicos de una longitud de hasta medio metro en una huella de escala milimétrica, generando una potencia de salida récord de más de 145 mW y proporcionando una ganancia neta de señal pequeña superior a 30 dB, lo que se traduce en una amplificación de más de 1000 veces en el banda de telecomunicaciones en operación continua. Este rendimiento coincide con los EDFA comerciales de gama alta, así como con los amplificadores de semiconductores III-V heterogéneamente integrados de última generación en fotónica de silicio.
"Superamos el desafío de larga data al aplicar la implantación de iones, un proceso a escala de oblea que se beneficia de una conversión ascendente cooperativa muy baja incluso a una concentración de iones muy alta, a los circuitos fotónicos integrados de nitruro de silicio de pérdida ultrabaja", dice el Dr. Yang Liu, un investigador del laboratorio de Kippenberg y científico principal del estudio publicado en Science .
"Este enfoque nos permite lograr bajas pérdidas, alta concentración de erbio y un gran factor de superposición de iones de modo en guías de onda compactas con longitudes de escala de metros, que anteriormente permanecieron sin resolver durante décadas", dice Zheru Qiu, Ph.D. estudiante y coautor del estudio.
"Operar con alta potencia de salida y alta ganancia no es un mero logro académico; de hecho, es crucial para la operación práctica de cualquier amplificador, ya que implica que cualquier señal de entrada puede alcanzar los niveles de potencia suficientes para largas distancias. transmisión de datos de alta velocidad y detección limitada de ruido de disparo; también indica que los láseres de femtosegundos de alta energía de pulso en un chip finalmente pueden ser posibles utilizando este enfoque", dice Kippenberg.
El avance señala un renacimiento de los iones de tierras raras como medios de ganancia viables en fotónica integrada, ya que las aplicaciones de EDWA son prácticamente ilimitadas, desde comunicaciones ópticas y LiDAR para conducción autónoma, hasta detección cuántica y memorias para grandes redes cuánticas. Se espera que desencadene estudios de seguimiento que cubran aún más iones de tierras raras, ofreciendo una ganancia óptica desde la parte visible hasta la parte infrarroja media del espectro e incluso una mayor potencia de salida. Nueva tecnología construye circuitos fotónicos integrados de pérdida ultrabaja
