O Potencial dos Amplificadores Paramétricos

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Circuitos integrados fotônicos

Os circuitos integrados fotônicos utilizados neste estudo. Crédito: Tobias Kippenberg (EPFL), CC POR 4.0

A capacidade de amplificar sinais ópticos em fibras ópticas até seu limite quântico é um avanço tecnológico crucial que sustenta nossa moderna sociedade da informação. A banda de comprimento de onda de 1550 nm é utilizada em telecomunicações ópticas, não só porque apresenta baixas perdas em fibras ópticas de sílica (que lhe renderam o Prêmio Nobel de Física de 2008), mas também porque permite a amplificação desses sinais, essenciais para a transmissão comunicação de fibra óptica oceânica.

A amplificação óptica desempenha um papel fundamental em praticamente todas as tecnologias baseadas em laser, como a comunicação óptica, usada, por exemplo, em data centers para comunicação entre servidores e entre continentes por meio de links de fibra transoceânica, para aplicações de alcance como onda contínua modulada de frequência coerente (FMCW). LiDAR – uma tecnologia emergente que pode detectar e rastrear objetos mais longe, mais rápido e com maior precisão do que nunca. Hoje, amplificadores ópticos baseados em íons de terras raras como o érbio, bem como semicondutores III-V, são amplamente usados ​​em aplicações do mundo real.

Essas duas abordagens são baseadas na amplificação por transições ópticas. Mas existe outro paradigma de amplificação óptica de sinais: os amplificadores paramétricos de ondas viajantes, que alcançam a amplificação do sinal variando um pequeno “parâmetro” do sistema, como a capacitância ou a não linearidade de uma linha de transmissão.

Amplificadores paramétricos ópticos

Sabe-se desde os anos 80 que a não linearidade intrínseca das fibras ópticas também pode ser aproveitada para criar amplificadores paramétricos ópticos de ondas viajantes, cujo ganho é independente de transições atômicas ou semicondutoras, o que significa que pode ser de banda larga e cobrir praticamente qualquer Comprimento de onda.

Os amplificadores paramétricos também não sofrem com um sinal de entrada mínimo, o que significa que podem ser usados ​​para amplificar os sinais mais fracos e grandes potências de entrada em uma única configuração. E, finalmente, o espectro de ganho pode ser adaptado pela otimização da geometria do guia de onda e engenharia de dispersão, que oferece enorme flexibilidade de projeto para comprimentos de onda e aplicações alvo.

O mais intrigante é que o ganho paramétrico pode ser derivado em bandas de comprimento de onda incomuns que estão fora do alcance de semicondutores convencionais ou fibras dopadas com terras raras. A amplificação paramétrica é inerentemente limitada pelo quantum e pode até atingir amplificação sem ruído.

Limitações de silício

Apesar de suas características atraentes, os amplificadores paramétricos ópticos em fibras são compostos por seus requisitos de potência de bombeamento muito altos, resultantes da fraca não linearidade de Kerr da sílica. Nas últimas duas décadas, os avanços em plataformas fotônicas integradas permitiram uma não linearidade de Kerr significativamente aprimorada que não pode ser alcançada em fibras de sílica, mas não alcançou amplificadores operados por ondas contínuas.

“Operar no regime de onda contínua não é uma mera ‘conquista acadêmica’”, diz o professor Tobias Kippenberg, chefe do Laboratório de Fotônica e Medições Quânticas da EPFL na EPFL. “Na verdade, é crucial para a operação prática de qualquer amplificador, pois implica que quaisquer sinais de entrada podem ser amplificados – por exemplo, informação codificada opticamente, sinais de LiDAR, sensores, etc. a amplificação de onda é fundamental para a implementação bem-sucedida de tecnologias de amplificadores em sistemas de comunicação óptica modernos e aplicações emergentes para detecção e alcance óptico.”

Chip fotônico inovador

Um novo estudo liderado pelo Dr. Johann Riemensberger no grupo de Kippenberg agora abordou o desafio de desenvolver um amplificador de ondas viajantes baseado em um circuito integrado fotônico operando no regime contínuo. “Nossos resultados são o culminar de mais de uma década de esforço de pesquisa em fotônica não linear integrada e a busca por perdas de guia de onda cada vez menores”, diz Riemensberger.

Os pesquisadores usaram um circuito integrado fotônico de nitreto de silício de perda ultrabaixa com mais de dois metros de comprimento para construir o primeiro amplificador de onda viajante em um chip fotônico de tamanho 3 × 5 mm2. O chip opera em regime contínuo e fornece ganho líquido de 7 dB no chip e ganho líquido de 2 dB fibra a fibra nas bandas de telecomunicações. A amplificação paramétrica de ganho líquido no chip em nitreto de silício também foi recentemente alcançada pelos grupos de Victor Torres-Company e Peter Andrekson na Chalmers University.

No futuro, a equipe pode usar controle litográfico preciso para otimizar a dispersão do guia de onda para largura de banda de ganho paramétrico de mais de 200 nm. E como a perda de absorção fundamental do nitreto de silício é muito baixa (cerca de 0,15 dB/metro), otimizações de fabricação adicionais podem levar o ganho paramétrico máximo do chip além de 70 dB com apenas 750 mW de potência de bombeamento, superando o desempenho do melhor chip baseado em fibra amplificadores.

“As áreas de aplicação de tais amplificadores são ilimitadas”, diz Kippenberg. “Desde comunicações ópticas, onde é possível estender sinais além das bandas típicas de telecomunicações, até laser infravermelho médio ou visível e amplificação de sinal, até LiDAR ou outras aplicações em que lasers são usados ​​para sondar, detectar e interrogar sinais clássicos ou quânticos.”

Referência: “Um amplificador paramétrico de onda contínua fotônica integrada” por Johann Riemensberger, Nikolai Kuznetsov, Junqiu Liu, Jijun He, Rui Ning Wang e Tobias J. Kippenberg, 30 de novembro de 2022, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-022-05329-1





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