光通信の新時代: パラメトリックアンプの可能性

エコール・ポリテクニック・フェデラル・ド・ローザンヌ著、2023年1月24日

この研究で使用された光集積回路。 クレジット: トビアス キッペンバーグ (EPFL)、CC BY 4.0

光ファイバー内の光信号を量子限界まで増幅する能力は、現代の情報社会を支える重要な技術進歩です。 1550 nm の波長帯域は、シリカ光ファイバの損失が低い (2008 年ノーベル物理学賞を受賞した) だけでなく、伝送に不可欠な信号の増幅が可能であるため、光通信で使用されています。海洋光ファイバー通信。

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"}]">半導体は現実世界のアプリケーションで広く使用されています。

これら 2 つのアプローチは、光学遷移による増幅に基づいています。 しかし、光信号増幅には別のパラダイムがあります。進行波パラメトリック増幅器です。これは、伝送線路の静電容量や非線形性などの小さなシステム「パラメータ」を変化させることによって信号増幅を実現します。

光ファイバーの固有の非線形性を利用して進行波光パラメトリック増幅器を作成することもできることは 80 年代から知られていました。その利得は原子または半導体の遷移に依存しません。つまり、広帯域であらゆる帯域を実質的にカバーできます。波長。

また、パラメトリックアンプは最小入力信号の影響を受けないため、単一の設定で最も微弱な信号と大きな入力電力の両方を増幅するために使用できます。 そして最後に、導波路形状の最適化と分散エンジニアリングによって利得スペクトルを調整できるため、ターゲットの波長とアプリケーションに非常に柔軟な設計が提供されます。

最も興味深いのは、パラメトリック利得が、従来の半導体や希土類添加ファイバでは到達できない異常な波長帯域で得られることです。 パラメトリック増幅は本質的に量子制限があり、ノイズのない増幅を実現することもできます。

ファイバ内の光パラメトリック増幅器は、その魅力的な機能にもかかわらず、シリカの弱いカー非線形性に起因する非常に高いポンプパワー要件によってさらに複雑になります。 過去 20 年間にわたる統合フォトニック プラットフォームの進歩により、シリカ ファイバでは達成できない実効カー非線形性が大幅に強化されましたが、連続波動作増幅器では実現できませんでした。

「連続波領域での動作は、単なる『学術的成果』ではありません」と、EPFL のフォトニクスおよび量子測定研究所の所長であるトビアス キッペンバーグ教授は述べています。 「実際、これは、光学的にエンコードされた情報、LiDAR、センサーなどからの信号など、あらゆる入力信号を増幅できることを意味するため、アンプの実際の動作にとって非常に重要です。時間とスペクトルが連続し、移動することは、波の増幅は、現代の光通信システムや光センシングと測距のための新たなアプリケーションにおける増幅器技術の実装を成功させるために極めて重要です。」

キッペンベルク氏のグループのヨハン・リーメンスバーガー博士が主導した新しい研究では、連続領域で動作するフォトニック集積回路に基づく進行波増幅器を開発することでこの課題に取り組んだ。 「私たちの結果は、集積非線形フォトニクスとこれまで以上に低い導波路損失の追求における10年以上の研究努力の集大成です」とRiemensberger氏は述べています。

研究者らは、長さ2メートルを超える超低損失の窒化ケイ素フォトニック集積回路を使用して、サイズ3×5 mm2のフォトニックチップ上に最初の進行波増幅器を構築した。 このチップは連続レジームで動作し、通信帯域内でチップ上で 7 dB のネット ゲイン、ファイバ間で 2 dB のネット ゲインを提供します。 窒化ケイ素におけるオンチップネットゲインパラメトリック増幅も、チャルマーズ大学の Victor Torres-Company と Peter Andrekson のグループによって最近達成されました。

将来的には、チームは精密なリソグラフィー制御を使用して、200 nm を超えるパラメトリック利得帯域幅の導波路分散を最適化できるようになります。 また、窒化シリコンの基本的な吸収損失は非常に低い (約 0.15 dB/メートル) ため、さらに製造を最適化することで、わずか 750 mW の励起パワーでチップの最大パラメトリック ゲインを 70 dB を超え、最高のファイバーベースの性能を超えることができます。アンプ。

「このようなアンプの応用分野は無限です」とキッペンバーグ氏は言います。 「一般的な通信帯域を超えて信号を拡張できる光通信から、中赤外または可視のレーザーと信号増幅、そして古典信号や量子信号の探査、感知、調査にレーザーが使用されるLiDARやその他のアプリケーションに至るまで。」

参考文献：「フォトニック統合連続進行波パラメトリック増幅器」、Johann Riemensberger、Nikolai Kuznetsov、Junqiu Liu、Jijun He、Rui Ning Wang、Tobias J. Kippenberg、2022 年 11 月 30 日、Nature.DOI: 10.1038/s41586-022- 05329-1