[논문 리뷰] An ultra-broadband photonic-chip-based traveling-wave parametric amplifier

Nikolai Kuznetsov, Alberto Nardi외 5명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 12.

Advanced Photonic Communication Systems인용 수 5

한 줄 요약

저자들은 GaP-on-insulator 광학 칩에서 고이득, 초광대역 traveling-wave optical parametric amplifier를 보여주며, 약 1550 nm 근처에서 ~140 nm 대역에서 최대 35 dB 이득과 섬유 대비 순 이득이 10 dB를 초과하는 성능을 달성했다.

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.

연구 동기 및 목표

• ERbium 윈도우를 넘어서는 초광대역, 고이득 광 증폭의 필요성을 제시한다.
• 강한 Kerr 비선형성을 가진 광 집적 회로가 순 파라메트릭 이득을 제공할 수 있음을 보여준다.
• GaP 기반의 컴팩트한 TWPA에서 높은 이득, 넓은 대역폭, 낮은 잡음을 시연한다.
• 광자칩에서 초약한 신호와 주파수 콤프의 증폭을 검증한다.

제안 방법

• SiO2 위의 얇은 GaP를 사용하여 분산 공학된 나선형 파이프웨이를 제작하고 degenerate four-wave mixing을 수행한다.
• 단일 펌프를 대략 1550 nm 근처에서 작동시켜 광학 Kerr 효과를 통해 파라메트릭 이득을 얻는다.
• κ = Δβ + 2γP_p 로 위상 매칭을 모델링하고 β2 및 β4의 분산 항을 최적화하여 대역폭을 최대화한다.
• 온칩 비선형 매개변수 γ와 유효 길이 L_eff를 추정하여 피크 이득 G_S = 1 + [sinh(-ΔβL_eff/2)]^2 를 계산한다.
• 삽입 손실을 고려하여 CW 증폭 스펙트럼, 이글(아이들러) 생성 및 오프칩 순 이득을 측정한다.
• 실용적 응용을 강조하기 위해 광 주파수 콤프와 코히런트 데이터 스트림의 증폭을 시연한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaP-on-insulator TWPA를 현실적인 펌프 전력에서 1550 nm 근처에서 달성 가능한 순 이득과 대역폭은 무엇인가?
• RQ2 광자칩 TWPA가 주파수 콤 및 코히런트 통신에 적합한 넓은 대역폭, 고이득 증폭과 낮은 잡음을 제공할 수 있는가?
• RQ3 분산 엔지니어링 및 재료 특성(GaP)이 넓은 이득 대역폭을 유지하면서 소자 길이와 풋프린트를 어떻게 감소시키는가?
• RQ4 현실 신호 시나리오에서 GaP TWPA의 포화, 전력 처리 및 잡음 성능 특성은 어떠한가?

주요 결과

• CW 파라메트릭 증폭으로 순 섬유-섬유 이득이 최대 25 dB에 달한다.
• 약 140 nm에 걸친 광대역 신호 및 이idler 이득(약 1300~1900 nm), 오프칩에서 70 nm 이상에서 순 이득 10 dB를 초과.
• 1605 nm 입력에서 125 mW 이상에 대응하는 온칩 포화 전력(칩상 약 220 mW), 온칩 전력 변환 효율 9%.
• 온칩 잡음 지수가 포화 미발생 영역을 포함한 넓은 신호 전력 범위에서 4 dB 미만; 소신호 이득 영역에서 오프칸 잡음 지수는 6 dB에 근접.
• 광 주파수 콤프(E0 comb 및 솔리톤 마이크로콤)의 증폭에 대해 20 dB 이상 fiber-to-fiber 순 이득을 시연.
• 단일 펌프 GaP TWPA가 포화되기 전 입력 전력의 여섯 자리 규모에서 선형 증폭을 지원한다.