Une nouvelle ère de communications optiques : le potentiel des amplificateurs paramétriques

By Ecole Polytechnique Fédérale de LausanneJanuary 24, 2023

Les circuits intégrés photoniques utilisés dans cette étude. Crédit : Tobias Kippenberg (EPFL), CC BY 4.0

La capacité d'amplifier les signaux optiques dans les fibres optiques jusqu'à leur limite quantique est une avancée technologique cruciale qui sous-tend notre société de l'information moderne. La bande de longueur d'onde de 1550 nm est utilisée dans les télécommunications optiques car non seulement elle présente de faibles pertes dans les fibres optiques en silice (pour lesquelles le prix Nobel de physique 2008 a été décerné), mais aussi parce qu'elle permet l'amplification de ces signaux, essentielle pour la transmission. communication océanique par fibre optique.

Optical amplification plays a key role in virtually all laser-based technologies such as optical communication, used for instance in data centers to communicate between servers and between continents through trans-oceanic fiber links, to ranging applications like coherent Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) LiDAR – an emerging technology that can detect and track objects farther, faster, and with greater precision than ever before. Today, optical amplifiers based on rare-earth ions like erbium, as well as III-V semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">semi-conducteurs, sont largement utilisés dans les applications du monde réel.

Ces deux approches sont basées sur l'amplification par transitions optiques. Mais il existe un autre paradigme d'amplification du signal optique : les amplificateurs paramétriques à ondes progressives, qui réalisent l'amplification du signal en faisant varier un petit "paramètre" du système, tel que la capacité ou la non-linéarité d'une ligne de transmission.

Il est connu depuis les années 80 que la non-linéarité intrinsèque des fibres optiques peut également être exploitée pour créer des amplificateurs paramétriques optiques à ondes progressives, dont le gain est indépendant des transitions atomiques ou semi-conductrices, ce qui signifie qu'il peut être à large bande et couvrir pratiquement tout longueur d'onde.

Les amplificateurs paramétriques ne souffrent pas non plus d'un signal d'entrée minimum, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés pour amplifier à la fois les signaux les plus faibles et une grande puissance d'entrée dans un seul réglage. Et enfin, le spectre de gain peut être adapté par l'optimisation de la géométrie du guide d'ondes et l'ingénierie de la dispersion, ce qui offre une énorme flexibilité de conception pour les longueurs d'onde et les applications cibles.

Plus intrigant, le gain paramétrique peut être dérivé dans des bandes de longueurs d'onde inhabituelles qui sont hors de portée des semi-conducteurs conventionnels ou des fibres dopées aux terres rares. L'amplification paramétrique est intrinsèquement limitée quantique et peut même atteindre une amplification sans bruit.

Malgré leurs caractéristiques attrayantes, les amplificateurs paramétriques optiques dans les fibres sont aggravés par leurs exigences de puissance de pompe très élevées résultant de la faible non-linéarité Kerr de la silice. Au cours des deux dernières décennies, les progrès des plates-formes photoniques intégrées ont permis une non-linéarité Kerr efficace considérablement améliorée qui ne peut pas être obtenue dans les fibres de silice, mais n'a pas permis d'obtenir des amplificateurs à onde continue.

« Opérer en régime d'onde continue n'est pas une simple 'réussite académique' », explique le professeur Tobias Kippenberg, responsable du Laboratoire de photonique et mesures quantiques de l'EPFL. "En fait, il est crucial pour le fonctionnement pratique de tout amplificateur, car cela implique que tous les signaux d'entrée peuvent être amplifiés - par exemple, des informations codées optiquement, des signaux de LiDAR, des capteurs, etc. l'amplification des ondes est essentielle pour une mise en œuvre réussie des technologies d'amplification dans les systèmes de communication optique modernes et les applications émergentes de détection et de télémétrie optiques. »

Une nouvelle étude dirigée par le Dr Johann Riemensberger dans le groupe de Kippenberg a maintenant relevé le défi en développant un amplificateur à ondes progressives basé sur un circuit intégré photonique fonctionnant en régime continu. "Nos résultats sont l'aboutissement de plus d'une décennie d'efforts de recherche en photonique non linéaire intégrée et la poursuite de pertes de guide d'ondes toujours plus faibles", déclare Riemensberger.

Les chercheurs ont utilisé un circuit intégré photonique en nitrure de silicium à très faible perte de plus de deux mètres de long pour construire le premier amplificateur à ondes progressives sur une puce photonique de 3 × 5 mm2. La puce fonctionne en régime continu et fournit un gain net de 7 dB sur puce et un gain net de 2 dB fibre à fibre dans les bandes de télécommunication. L'amplification paramétrique à gain net sur puce dans le nitrure de silicium a également été récemment réalisée par les groupes de Victor Torres-Company et Peter Andrekson de l'Université Chalmers.

À l'avenir, l'équipe pourra utiliser un contrôle lithographique précis pour optimiser la dispersion du guide d'ondes pour une bande passante de gain paramétrique de plus de 200 nm. Et comme la perte d'absorption fondamentale du nitrure de silicium est très faible (environ 0,15 dB/mètre), d'autres optimisations de fabrication peuvent pousser le gain paramétrique maximal de la puce au-delà de 70 dB avec seulement 750 mW de puissance de pompe, dépassant les performances des meilleurs systèmes à base de fibres. amplificateurs.

"Les domaines d'application de tels amplificateurs sont illimités", déclare Kippenberg. "Des communications optiques où l'on pourrait étendre les signaux au-delà des bandes de télécommunication typiques, au laser infrarouge moyen ou visible et à l'amplification du signal, au LiDAR ou à d'autres applications où les lasers sont utilisés pour sonder, détecter et interroger des signaux classiques ou quantiques."

Référence : "A photonic integrated Continuous-traveling-wave paramétric amplifier" par Johann Riemensberger, Nikolai Kuznetsov, Junqiu Liu, Jijun He, Rui Ning Wang et Tobias J. Kippenberg, 30 novembre 2022, Nature.DOI : 10.1038/s41586-022- 05329-1