Una nueva era de las comunicaciones ópticas: el potencial de los amplificadores paramétricos

Por Escuela Politécnica Federal de Lausana 24 de enero de 2023

Los circuitos integrados fotónicos utilizados en este estudio. Crédito: Tobias Kippenberg (EPFL), CC BY 4.0

La capacidad de amplificar señales ópticas en fibras ópticas hasta su límite cuántico es un avance tecnológico crucial que sustenta nuestra sociedad de la información moderna. La banda de longitud de onda de 1550 nm se utiliza en telecomunicaciones ópticas porque no solo presenta bajas pérdidas en las fibras ópticas de sílice (por las que se otorgó el Premio Nobel de Física 2008), sino también porque permite la amplificación de estas señales, indispensables para la transmisión. comunicación por fibra óptica oceánica.

Optical amplification plays a key role in virtually all laser-based technologies such as optical communication, used for instance in data centers to communicate between servers and between continents through trans-oceanic fiber links, to ranging applications like coherent Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) LiDAR – an emerging technology that can detect and track objects farther, faster, and with greater precision than ever before. Today, optical amplifiers based on rare-earth ions like erbium, as well as III-V semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">semiconductores, son ampliamente utilizados en aplicaciones del mundo real.

Estos dos enfoques se basan en la amplificación por transiciones ópticas. Pero existe otro paradigma de amplificación de señales ópticas: los amplificadores paramétricos de onda viajera, que logran la amplificación de la señal variando un pequeño "parámetro" del sistema, como la capacitancia o la no linealidad de una línea de transmisión.

Desde los años 80 se sabe que la no linealidad intrínseca de las fibras ópticas también se puede aprovechar para crear amplificadores paramétricos ópticos de onda viajera, cuya ganancia es independiente de las transiciones atómicas o de semiconductores, lo que significa que puede ser de banda ancha y cubrir prácticamente cualquier longitud de onda.

Los amplificadores paramétricos tampoco sufren de una señal de entrada mínima, lo que significa que pueden usarse para amplificar tanto las señales más débiles como una gran potencia de entrada en una sola configuración. Y, por último, el espectro de ganancia se puede adaptar mediante la optimización de la geometría de la guía de ondas y la ingeniería de dispersión, lo que ofrece una enorme flexibilidad de diseño para las longitudes de onda y las aplicaciones objetivo.

Lo más intrigante es que la ganancia paramétrica se puede derivar en bandas de longitud de onda inusuales que están fuera del alcance de los semiconductores convencionales o las fibras dopadas con tierras raras. La amplificación paramétrica está inherentemente limitada cuánticamente e incluso puede lograr una amplificación sin ruido.

A pesar de sus características atractivas, los amplificadores paramétricos ópticos en fibras se ven agravados por sus requisitos de potencia de bombeo muy altos como resultado de la débil no linealidad de Kerr de la sílice. En las últimas dos décadas, los avances en las plataformas fotónicas integradas han permitido una no linealidad Kerr efectiva significativamente mejorada que no se puede lograr en las fibras de sílice pero que no ha logrado amplificadores operados por onda continua.

"Operar en el régimen de onda continua no es un mero 'logro académico'", dice el profesor Tobias Kippenberg, jefe del Laboratorio de Fotónica y Mediciones Cuánticas de la EPFL. "De hecho, es crucial para el funcionamiento práctico de cualquier amplificador, ya que implica que cualquier señal de entrada se puede amplificar, por ejemplo, información codificada ópticamente, señales de LiDAR, sensores, etc. la amplificación de ondas es fundamental para la implementación exitosa de las tecnologías de amplificación en los sistemas de comunicación óptica modernos y las aplicaciones emergentes para la detección y el alcance ópticos".

Un nuevo estudio dirigido por el Dr. Johann Riemensberger en el grupo de Kippenberg ahora ha abordado el desafío mediante el desarrollo de un amplificador de onda viajera basado en un circuito integrado fotónico que opera en régimen continuo. "Nuestros resultados son la culminación de más de una década de esfuerzo de investigación en fotónica no lineal integrada y la búsqueda de pérdidas de guía de ondas cada vez más bajas", dice Riemensberger.

Los investigadores utilizaron un circuito integrado fotónico de nitruro de silicio de pérdida ultrabaja de más de dos metros de largo para construir el primer amplificador de onda viajera en un chip fotónico de 3 × 5 mm2 de tamaño. El chip opera en un régimen continuo y proporciona una ganancia neta de 7 dB en el chip y una ganancia neta de 2 dB de fibra a fibra en las bandas de telecomunicaciones. Los grupos de Victor Torres-Company y Peter Andrekson en la Universidad de Chalmers también lograron recientemente la amplificación paramétrica de ganancia neta en el chip en nitruro de silicio.

En el futuro, el equipo podrá utilizar un control litográfico preciso para optimizar la dispersión de la guía de ondas para un ancho de banda de ganancia paramétrica de más de 200 nm. Y dado que la pérdida de absorción fundamental del nitruro de silicio es muy baja (alrededor de 0,15 dB/metro), las optimizaciones de fabricación adicionales pueden llevar la ganancia paramétrica máxima del chip más allá de los 70 dB con solo 750 mW de potencia de bombeo, superando el rendimiento de los mejores chips basados ​​en fibra. amplificadores

"Las áreas de aplicación de tales amplificadores son ilimitadas", dice Kippenberg. "Desde las comunicaciones ópticas donde se pueden extender las señales más allá de las bandas de telecomunicaciones típicas, hasta el láser visible o infrarrojo medio y la amplificación de señales, hasta LiDAR u otras aplicaciones donde los láseres se utilizan para sondear, detectar e interrogar señales clásicas o cuánticas".

Referencia: "Un amplificador paramétrico fotónico integrado de ondas viajeras continuas" por Johann Riemensberger, Nikolai Kuznetsov, Junqiu Liu, Jijun He, Rui Ning Wang y Tobias J. Kippenberg, 30 de noviembre de 2022, Nature.DOI: 10.1038/s41586-022- 05329-1