[论文解读] Photonic chip-based continuous-travelling-wave parametric amplifier

Johann Riemensberger, Junqiu Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 6被引用 4

一句话总结

本论文展示了首个基于芯片的连续行波参量放大器，采用2米长、色散工程化的氮化硅波导，在C波段实现了12 dB的净光增益，克服了传输和耦合损耗。该器件利用Si3N4中的超低传播损耗（0.15 dB/m）和高克尔非线性，实现了量子极限、宽带且单向的放大，具备与半导体激光器集成的潜力。

ABSTRACT

The ability to amplify optical signals is of pivotal importance across science and technology. The development of optical amplifiers has revolutionized optical communications, which are today pervasively used in virtually all sensing and communication applications of coherent laser sources. In the telecommunication bands, optical amplifiers typically utilize gain media based on III-V semiconductors or rare-earth-doped fibers. Another way to amplify optical signals is to utilize the Kerr nonlinearity of optical fibers or waveguides via parametric processes. Such parametric amplifiers of travelling continuous wave have been originally developed in the microwave domain, and enable quantum-limited signal amplification with high peak gain, broadband gain spectrum tailored via dispersion control, and ability to enable phase sensitive amplification. Despite these advantages, optical amplifiers based on parametric gain have proven impractical in silica fibers due to the low Kerr nonlinearity. Recent advances in photonic integrated circuits have revived interest in parametric amplifiers due to the significantly increased nonlinearity in various integrated platforms. Yet, despite major progress, continuous-wave-pumped parametric amplifiers built on photonic chips have to date remained out of reach. Here we demonstrate a chip-based travelling-wave optical parametric amplifier with net signal gain in the continuous-wave regime. Using ultralow-loss, dispersion-engineered, meter-long, silicon nitride photonic integrated circuits that are tightly coiled on a photonic chip, we achieve a continuous parametric gain of 12 dB that exceeds both the on-chip optical propagation loss and fiber-chip-fiber coupling losses in the optical C-band.

研究动机与目标

• 开发一种基于光子芯片的连续波参量放大器，实现在无脉冲泵浦条件下实现净信号增益。
• 通过使用色散工程的集成Si3N4波导，克服光纤基参量放大器因克尔非线性低和损耗高带来的局限性。
• 实现净增益，使其超过集成光子电路中芯片内传播损耗和光纤-芯片-光纤耦合损耗。
• 展示一种可扩展、紧凑且可设计的平台，适用于从可见光到中红外波段的光放大，覆盖传统稀土元素放大器频带之外的范围。
• 实现与半导体激光器的未来集成，为光学通信和量子信息系统中实现量子极限、高增益、宽带放大器铺平道路。

提出的方法

• 放大器通过采用深紫外（DUV）步进光刻和光子Damascene工艺制造的2米长、色散工程化、超低损耗Si3N4光子集成电路实现。
• 通过预成型再熔和化学机械平坦化（CMP）工艺，将波导侧壁粗糙度降低至亚纳米级别（0.3 nm RMS），以最小化散射损耗。
• 利用1550 nm连续波泵浦，通过Si3N4波导中的χ(3)克尔非线性驱动参量过程，实现四波混频（FWM）以实现信号放大。
• 色散工程消除了二阶和四阶色散项，实现宽带增益带宽和相位匹配，从而提高FWM效率。
• 放大器在紧密卷绕的5×5 mm²封装内运行，泵浦与信号同向共传播，实现行波工作模式。
• 基于广义非线性薛定谔方程（GNLSE）的数值模拟用于建模增益、损耗和非线性相互作用，验证了实验结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无脉冲泵浦条件下，基于芯片的参量放大器能否实现净连续波增益，克服集成光子电路中的损耗？
• RQ2 Si3N4波导需要达到何种水平的光损耗和非线性，才能在C波段实现净参量增益？
• RQ3 在Si3N4波导中，色散工程在多大程度上能够实现宽带、相位匹配的四波混频，从而实现高效放大？
• RQ4 在尺寸、设计灵活性和可扩展性方面，集成参量放大器的性能能否超越光纤基同类器件？
• RQ5 此类放大器与片上半导体激光器集成的潜力如何，以服务于未来的光通信和量子系统？

主要发现

• 该器件在C波段实现了12 dB的净连续行波参量增益，超过芯片内传播损耗和光纤-芯片-光纤耦合损耗。
• 在化学计量比Si3N4波导中，0.15 dB/m的超低传播损耗使得仅使用500 mW泵浦功率即可实现理论参量增益超过70 dB。
• 放大器工作在量子极限噪声系数下，可实现相位敏感和无噪声放大，这对量子应用至关重要。
• 通过色散工程抑制二阶和四阶色散，实现了宽带增益，从而实现高效的四波混频。
• Si3N4中高非线性和低损耗的结合，为实现紧凑、单共振、泵浦增强的行波参量放大器（TWOPAs）铺平了道路，同时减少了信号-信号四波混频。
• 结果证明了将芯片基参量放大器扩展至高增益、时域与频谱连续工作的可行性，适用于未来的光通信和量子信息系统。