Erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA's) zijn apparaten die het optische signaalvermogen in optische vezels kunnen versterken. Ze worden vaak gebruikt in glasvezelkabels voor langeafstandscommunicatie en lasers op basis van vezels. EDFA's, uitgevonden in de jaren tachtig, hebben een diepgaande invloed gehad op onze informatiemaatschappij, waardoor signalen over de Atlantische Oceaan kunnen worden gerouteerd en elektrische repeaters kunnen worden vervangen.

Wat interessant is aan erbium-ionen in optische communicatie, is dat ze licht kunnen versterken in het golflengtegebied van 1,55 mm, waar optische vezels op silicabasis het laagste transmissieverlies hebben. De unieke elektronische intra-4-f-schaalstructuur van erbium - en zeldzame-aardionen in het algemeen - maakt langlevende aangeslagen toestanden mogelijk wanneer ze worden gedoteerd in gastheermaterialen zoals glas. Dit biedt een ideaal versterkingsmedium voor gelijktijdige versterking van meerdere informatiedragende kanalen, met verwaarloosbare overspraak, stabiliteit bij hoge temperaturen en weinig ruis.

Optische versterking wordt ook gebruikt in vrijwel alle lasertoepassingen, van vezeldetectie en frequentiemetrologie tot industriële toepassingen, waaronder laserbewerking en LiDAR. Tegenwoordig zijn optische versterkers op basis van zeldzame-aarde-ionen het werkpaard geworden voor optische frequentiekammen, die worden gebruikt om 's werelds meest nauwkeurige atoomklokken te maken.

Het bereiken van lichtversterking met zeldzame-aarde-ionen in fotonische geïntegreerde schakelingen kan geïntegreerde fotonica transformeren. In de jaren negentig was Bell Laboratories op zoek naar erbium-gedoteerde golfgeleiderversterkers (EDWA's), maar verliet ze uiteindelijk omdat hun versterkings- en uitgangsvermogen niet konden overeenkomen met op glasvezel gebaseerde versterkers, terwijl hun fabricage niet werkt met hedendaagse fotonische integratieproductietechnieken.

Zelfs met de recente opkomst van geïntegreerde fotonica, hebben hernieuwde inspanningen op EDWA's slechts minder dan 1 mW uitgangsvermogen kunnen bereiken, wat niet genoeg is voor veel praktische toepassingen. Het probleem hier was het hoge achtergrondverlies van de golfgeleider, de hoge coöperatieve opconversie - een winstbeperkende factor bij een hoge erbiumconcentratie, of de al lang bestaande uitdaging om golfgeleiderlengtes op meterschaal te bereiken in compacte fotonische chips.

Nu hebben onderzoekers van EPFL, onder leiding van professor Tobias J. Kippenberg, een EDWA gebouwd op basis van siliciumnitride (Si₃ N₄ ) fotonische geïntegreerde schakelingen met een lengte tot een halve meter op een millimeterschaal, die een record uitgangsvermogen van meer dan 145 mW genereren en een kleine netto versterking van meer dan 30 dB leveren, wat zich vertaalt naar meer dan 1000-voudige versterking in de telecommunicatieband in continu bedrijf. Deze prestatie komt overeen met de commerciële, high-end EDFA's, evenals state-of-the-art heterogeen geïntegreerde III-V halfgeleiderversterkers in siliciumfotonica.

"We hebben de langdurige uitdaging overwonnen door ionenimplantatie toe te passen - een proces op waferschaal dat profiteert van een zeer lage coöperatieve opconversie, zelfs bij een zeer hoge ionenconcentratie - op de geïntegreerde fotonische circuits van siliciumnitride met ultralaag verlies", zegt dr. Yang Liu, een onderzoeker in het laboratorium van Kippenberg, en de hoofdwetenschapper voor de studie gepubliceerd in Science .

"Deze benadering stelt ons in staat om een ​​laag verlies, een hoge erbiumconcentratie en een grote mode-ion overlapfactor te bereiken in compacte golfgeleiders met meterschaallengtes, die voorheen decennialang onopgelost bleven", zegt Zheru Qiu, een Ph.D. student en co-auteur van de studie.

"Werken met een hoog uitgangsvermogen en een hoge versterking is niet alleen een academische prestatie; in feite is het cruciaal voor de praktische werking van elke versterker, omdat het impliceert dat alle ingangssignalen de vermogensniveaus kunnen bereiken die voldoende zijn voor hoge afstanden. -snelle datatransmissie en detectie met weinig ruis; het geeft ook aan dat femtoseconde-lasers met hoge pulsenergie op een chip eindelijk mogelijk kunnen worden met deze aanpak", zegt Kippenberg.

De doorbraak signaleert een renaissance van zeldzame-aarde-ionen als levensvatbare versterkingsmedia in geïntegreerde fotonica, aangezien toepassingen van EDWA's vrijwel onbeperkt zijn, van optische communicatie en LiDAR voor autonoom rijden tot kwantumdetectie en geheugens voor grote kwantumnetwerken. Verwacht wordt dat dit vervolgonderzoek zal opleveren dat nog meer zeldzame-aarde-ionen omvat, met optische winst van het zichtbare tot het midden-infrarode deel van het spectrum en een nog hoger uitgangsvermogen. + Verder verkennen

Nieuwe technologie bouwt geïntegreerde fotonische circuits met ultralaag verlies