Un amplificatore in guida d'onda drogato con erbio su un chip integrato fotonico di dimensioni 1X1 cm2, con emissione verde da ioni erbio eccitati. Credito:EPFL Laboratory of Photonics and Quantum Measurements (LPQM)/Niels Ackermann.
Gli amplificatori in fibra drogati con erbio (EDFA) sono dispositivi che possono fornire guadagno alla potenza del segnale ottico nelle fibre ottiche. Sono spesso utilizzati nei cavi in fibra ottica di comunicazione a lunga distanza e nei laser basati su fibra. Inventati negli anni '80, gli EDFA hanno avuto un profondo impatto sulla nostra società dell'informazione, consentendo di instradare i segnali attraverso l'Atlantico e sostituendo i ripetitori elettrici.
La cosa interessante degli ioni erbio nelle comunicazioni ottiche è che possono amplificare la luce nella regione di lunghezza d'onda di 1,55 mm, che è dove le fibre ottiche a base di silice hanno la più bassa perdita di trasmissione. L'esclusiva struttura elettronica del guscio intra-4-f dell'erbio e degli ioni delle terre rare in generale consente stati eccitati di lunga durata quando drogati all'interno di materiali ospiti come il vetro. Ciò fornisce un mezzo di guadagno ideale per l'amplificazione simultanea di più canali che trasportano informazioni, con cross-talk trascurabile, stabilità alle alte temperature e basso rumore.
L'amplificazione ottica viene anche utilizzata praticamente in tutte le applicazioni laser, dal rilevamento delle fibre e la metrologia della frequenza, alle applicazioni industriali tra cui la lavorazione laser e LiDAR. Oggi, gli amplificatori ottici basati su ioni di terre rare sono diventati il cavallo di battaglia per i pettini di frequenza ottici, utilizzati per creare gli orologi atomici più precisi al mondo.
Il raggiungimento dell'amplificazione della luce con ioni di terre rare nel circuito integrato fotonico può trasformare la fotonica integrata. Negli anni '90, i Bell Laboratories stavano esaminando gli amplificatori in guida d'onda drogati con erbio (EDWA), ma alla fine li hanno abbandonati perché il loro guadagno e potenza di uscita non potevano corrispondere agli amplificatori a base di fibra, mentre la loro fabbricazione non funziona con le moderne tecniche di produzione di integrazione fotonica.
Anche con il recente aumento della fotonica integrata, i rinnovati sforzi sugli EDWA sono stati in grado di raggiungere solo una potenza di uscita inferiore a 1 mW, che non è sufficiente per molte applicazioni pratiche. Il problema qui è stato l'elevata perdita di fondo della guida d'onda, l'elevata upconversion cooperativa, un fattore limitante il guadagno a un'elevata concentrazione di erbio o la sfida di lunga data nel raggiungimento di lunghezze di guida d'onda su scala metrica in chip fotonici compatti.
Ora, i ricercatori dell'EPFL, guidati dal professor Tobias J. Kippenberg, hanno costruito un EDWA basato sul nitruro di silicio (Si3 N4 ) circuiti integrati fotonici di lunghezza fino a mezzo metro su una scala millimetrica, che generano una potenza di uscita record di oltre 145 mW e forniscono un guadagno netto di piccolo segnale superiore a 30 dB, che si traduce in un'amplificazione di oltre 1000 volte nel banda di telecomunicazioni in funzionamento continuo. Queste prestazioni corrispondono agli EDFA commerciali di fascia alta, nonché agli amplificatori semiconduttori III-V integrati eterogeneamente all'avanguardia nella fotonica del silicio.
"Abbiamo superato la sfida di lunga data applicando l'impianto ionico, un processo su scala di wafer che beneficia di una conversione cooperativa molto bassa anche a una concentrazione di ioni molto elevata, ai circuiti fotonici integrati con nitruro di silicio a bassissima perdita", afferma il dott. Yang Liu, un ricercatore nel laboratorio di Kippenberg e scienziato capo dello studio pubblicato su Scienza .
"Questo approccio ci consente di ottenere una bassa perdita, un'elevata concentrazione di erbio e un grande fattore di sovrapposizione degli ioni di modo in guide d'onda compatte con lunghezze di un metro, che in precedenza erano rimaste irrisolte per decenni", afferma Zheru Qiu, un Ph.D. studente e coautore dello studio.
"Operare con un'elevata potenza di uscita e un alto guadagno non è un mero risultato accademico; infatti, è fondamentale per il funzionamento pratico di qualsiasi amplificatore, poiché implica che qualsiasi segnale di ingresso può raggiungere livelli di potenza sufficienti per l'alta distanza -velocità di trasmissione dei dati e rilevamento limitato del rumore di sparo; segnala inoltre che i laser a femtosecondi ad alta energia a impulsi su un chip possono finalmente diventare possibili utilizzando questo approccio", afferma Kippenberg.
La svolta segnala una rinascita degli ioni delle terre rare come mezzi di guadagno vitali nella fotonica integrata, poiché le applicazioni degli EDWA sono praticamente illimitate, dalle comunicazioni ottiche e LiDAR per la guida autonoma, al rilevamento quantistico e alle memorie per grandi reti quantistiche. Si prevede che avvierà studi di follow-up che coprano ancora più ioni delle terre rare, offrendo un guadagno ottico dal visibile fino al medio infrarosso dello spettro e una potenza di uscita ancora maggiore. + Esplora ulteriormente
