特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
放大光信号的能力在整个科学技术领域至关重要，通常使用稀土掺杂光纤或基于III-V半导体的增益介质。掺铒光纤放大器(EDFAs)的发明取代了电信号再生，使光信号能够传播超过12000 km，从而彻底改变了光通信，实现了低成本通信带宽的大幅增长。放大光信号的另一个物理过程是利用光纤的克尔非线性实现参数相互作用。目前，已有开创性的工作展示了光纤中的连续波净增益行波参量放大，例如，相位敏感(即无噪声)放大、链路跨度增加、信号再生和非线性相位噪声抑制。
关键问题
尽管取得了巨大进展，光放大技术的实际应用仍存在以下问题：所有基于光子集成电路的净参数增益演示都需要脉冲激光器，这限制了它们的实际应用。到目前为止，只有批量微加工的周期性极化铌酸锂(PPLN)波导芯片实现了连续波增益，但尚未显示其与基于硅晶片的光子电路的集成。尽管在基于光纤的TWPAs中实现了净连续和宽带增益的这些承诺和开拓性成就，但是由于低克尔有效非线性和光纤的制造公差，其使用受到了严重的限制。4、基于集成光子线路的光域连续波TWPA尚未被证明基于集成光子线路的光域连续波TWPA，利用三阶非线性，能够放大任意时间输入信号，尚未被证明。尽管时间连续和频谱连续的行波放大对于成功实施放大器技术至关重要，具有连续净增益的基于光子集成电路的TWPAs仍遥不可及。
新思路
有鉴于此，瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg等人展示了一个基于光子集成电路的行波光参量放大器，在连续波范围内具有净信号增益。在尺寸为5×5 mm2的硅芯片上使用超低损耗、色散工程、一米长的Si3N4光子集成电路，实现了12 dB的连续参数增益，超过了电信C波段的片上光传播损耗和光纤-芯片-光纤耦合损耗。本工作展示了基于光子集成电路的参量放大器的潜力，这种放大器具有光刻控制的增益谱、紧凑的尺寸、对光反馈的弹性和量子限制的性能，并且可以在从可见光到中红外的波长范围内以及常规稀土放大带之外工作。作者展示了参量放大器的一般原理，通过波导设计模拟证实超过10 THz的放大带宽是可能的，并表征了基于Si3N4光子芯片测试的光传输特征。作者展示了测量参量增益和频率转换效率的实验装置，首次在光子芯片上实现了高达2 dB的净参数增益，，利用文献报道的参数，本工作的数值计算预测了12 dB的峰值增益，与测量值非常一致。通过泵浦激光器的快速调制来测量参量增益，证实了在所使用的任何光功率水平下，都没有观察到泵浦传输的降低。参量增益能够补偿光子芯片的总损耗，包括光纤到芯片的耦合。1、首次提出了一种基于光子集成电路的连续净增益双光子晶体放大器通过在紧凑的5mm×5mm硅片上使用色散工程、超低损耗、2m长Si3N4集成波导实现了连续净增益双光子晶体放大器。该工作基于超低损耗、色散工程、非线性Si3N4集成波导，化学计量的Si3N4可以通过化学气相沉积法沉积，并与互补金属氧化物半导体兼容。3、实现了紧凑的、一米长的基于光子集成电路的螺旋波导作者基于集成光子学基础，实现了紧凑的、一米长的基于光子集成电路的螺旋波导，具有均匀和工程化的色散，无需低占空比泵浦或谐振增强，就可以实现有效的参量产生和放大。在尺Si3N4光子集成电路，实现了12 dB的连续参数增益，超过了电信C波段的片上光传播损耗和光纤-芯片-光纤耦合损耗。
技术细节
单泵浦参量放大可以使用波导模式的频域模型来描述，波导模式通过光学克尔效应介导的非线性简并四波混频来耦合，作者展示了其一般原理。信号和强泵浦组合并耦合到光波导中，其中功率通过简并四波混频从泵浦传输到信号。波导中参量相互作用的相干特性要求满足严格的相位匹配条件，以便有效放大。经过分析，基于光纤和基于波导的TWOPA系统都可以提供大大超过稀土掺杂光纤放大器的放大带宽，作者通过波导设计模拟放大带宽，证实超过10 THz的放大带宽成为可能。作者基于Si3N4光子芯片测试的光传输特征与波导横截面的有限元模拟结果非常一致。作者展示了测量参量增益和频率转换效率的实验装置。模拟表明，基于光子电路的光参量放大器的1 dB增益压缩点高达250 mW。实验结果表明，作者首次在光子芯片上实现了高达2 dB的净参数增益，同时考虑了片上光传播损耗和光纤-芯片-光纤耦合损耗。此外，在高达7 W的输入功率水平下，没有观察到波导和耦合腔面的损坏。在没有任何用于受激布里渊散射的缓解技术的情况下，该增益和功率水平得以维持。利用文献报道的参数，本工作的数值计算预测了12 dB的峰值增益，与测量值非常一致。通过泵浦激光器的快速调制来测量参量增益。在以50%的占空比放大之前，用50 MHz的方波调制泵浦激光振幅。由光学克尔效应介导的参量放大的瞬时性质将泵浦调制直接印在放大的信号和产生的闲频信号上。结果表明，在所使用的任何光功率水平下，都没有观察到泵浦传输的降低。参量增益能够补偿光子芯片的总损耗，包括光纤到芯片的耦合。
展望
总之，作者首次提出了一种基于光子集成电路的连续净增益双光子晶体放大器。使用晶片级、大批量制造技术以及将这种放大器与现有的铸造级光子集成电路集成，能够达到基于连续行波净增益光子集成电路的放大器的范围，这意味着这种放大器可以与大范围的现有集成光子器件和应用集成。这种基于集成光子学的双光子晶体将由高功率半导体激光器直接泵浦，具有固有的单向、高增益、宽带、时间连续和光谱连续以及量子限制噪声系数。它们有潜力成为在光纤的全传输带宽上运行的下一代光通信系统的理想候选者。Riemensberger, J., Kuznetsov, N., Liu, J. et al. A photonic integrated continuous-travelling-wave parametric amplifier. Nature 612, 56–61 (2022).DOI：10.1038/s41586-022-05329-1https://doi.org/10.1038/s41586-022-05329-1
