[論文レビュー] An ultra-broadband photonic-chip-based traveling-wave parametric amplifier

Nikolai Kuznetsov, Alberto Nardi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2024

Advanced Photonic Communication Systems被引用数 5

ひとこと要約

著者らは GaP-on-insulator フォトニックチップ上で高利得・超広帯域の traveling-wave 光学パラメトリックアンプを実証し、約1550 nm付近の約140 nmにわたり最大35 dBのゲインとファイバー間ネットゲインが10 dB超を達成する。

ABSTRACT

Optical amplification, crucial for modern communication and data center interconnects, primarily relies on erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs) to enhance signals without distortion. While EDFAs were historically decisive for the introduction of dense wavelength-division multiplexing, they only cover a portion of the low-loss spectrum of optical fibers. Pioneering work on optical traveling-wave parametric amplifiers (TWPAs) utilizing intrinsic third-order optical nonlinearity has led to demonstrations of increased channel capacity and performance. TWPAs are unidirectional, offer high gain, and can reach the 3-dB quantum limit for phase-preserving amplifiers. Despite the use of highly nonlinear fibers or bulk waveguides, their power requirements and technical complexity have impeded adoption. In contrast, TWPAs based on photonic integrated circuits (PICs) offer the advantages of substantially increased mode confinement and optical nonlinearity but have been limited in bandwidth because of the trade-off with maintaining low propagation loss. We overcome this challenge by using low-loss gallium phosphide-on-silicon dioxide PICs and attain up to 35~dB of parametric gain with waveguides only a few centimeters long in a compact footprint of 0.25 square millimeters. Fiber-to-fiber net gain exceeding 10 dB across a bandwidth of approximately 140 nm is achieved, surpassing the gain window of a standard C-band EDFA. We furthermore demonstrate the capability to handle weak signals; input powers can range over six orders of magnitude while maintaining a low noise figure. We exploit these performance characteristics to amplify both optical frequency combs and coherent communication signals. This marks the first ultra-broadband, high-gain, continuous-wave amplification in a PIC, opening up new capabilities for next-generation optical communication, metrology, and sensing.

研究の動機と目的

• エルビウム窓を超える超広帯域・高利得光増幅の必要性を動機づける。
• 強い Kerr 非線形を備えたフォトニック集積回路が正味のパラメトリック利得をもたらすことを示す。
• GaPベースの TWPA（小型）で高利得・広帯域・低雑音を実証する。
• フォトニックチップ上で超微弱信号と周波数コムの増幅を検証する。

提案手法

• SiO2上の薄膜GaPを用いて、退化モード四波混成 Degenerate four-wave mixing のための分散設計された渦状導波路を作製する。
• 1550 nm付近の単一ポンプでTWPAを動作させ、光学的 Kerr 効果によるパラメトリック利得を達成する。
• κ = Δβ + 2γP_p による位相整合をモデル化し、帯域幅を最大化するために分散項 β2 および β4 を最適化する。
• オンチップの非線形パラメータ γ と有効長 L_eff を推定してピーク利得 G_S = 1 + [sinh(-ΔβL_eff/2)]^2 を計算する。
• 挿入損失を考慮して、CW 増幅スペクトル、イダ―生成、およびオフチップの正味利得を測定する。
• 実用的応用を強調するため、光周波数コムとコヒーレントデータストリームの増幅を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的なポンプ電力下で、GaP-on-insulator TWPA の実現可能な正味利得と帯域幅はどの程度か（約1550 nm付近）？
• RQ2 周波数コムとコヒーレント通信に適した低雑音の広帯域・高利得増幅を、フォトニックチップのTWPAが提供できるか？
• RQ3 分散設計と材料特性（GaP）が、広い利得帯域を維持しつつデバイス長と占有面積を縮小するのにどう寄与するか？
• RQ4 実世界の信号状況における飽和、出力耐性、ノイズはGaP TWPAでどうなるか？

主な発見

• CWパラメトリック増幅で、正味のファイバー間ゲインが最大25 dB。
• 約140 nmにわたるブロードバンド信号とイダ―利得（約1300–1900 nm）、オフチップで70 nmを超える10 dB超の正味利得。
• 1605 nm入力で>125 mWに相当するオンチップ飽和電力（オンチップ約220 mW）、および9%のオンチップ電力変換効率。
• 飽和以下の広い信号電力範囲でオンチップノイズ figure が4 dB以下；小信号利得領域ではオフチップノイズ figure が約6 dBに近づく。
• 光周波数コム（EOコムとソリトン・マイクロコム）の増幅で>20 dBのファイバー間正味利得を実証。
• 単一ポンプGaP TWPAは、飽和前に入力電力を6つのオーダーまで線形増幅をサポート。