一种基于光子芯片的超宽带行波参量放大器

光放大对现代通信和数据中心互连至关重要，主要依赖掺铒光纤放大器（EDFA）无失真地增强信号。尽管 EDFAs 在历史上对引入密集波分复用起到了决定性作用，但它们仅覆盖光纤低损耗光谱的一部分。利用固有三阶光学非线性的光行波参量放大器（TWPAs）的先驱工作已展示了信道容量和性能的提升。TWPAs 是单向的，提供高增益，并可达保相放大器的 3-dB 量子极限。尽管使用了高非线性光纤或体波导，其功率要求和技术复杂性阻碍了其应用。相比之下，基于光子集成电路（PICs）的 TWPAs 提供了大幅增加的模式限制和光学非线性的优势，但由于与保持低传播损耗的权衡，其带宽一直受限。我们通过使用低损耗的磷化镓-二氧化硅 PICs 克服了这一挑战，在仅 0.25 平方毫米的紧凑面积内，仅用几厘米长的波导实现了高达 35 dB 的参量增益。在约 140 nm 的带宽上实现了超过 10 dB 的光纤到光纤净增益，超越了标准 C 波段 EDFA 的增益窗口。我们进一步展示了处理微弱信号的能力；输入功率可在六个数量级范围内变化，同时保持低噪声系数。我们利用这些性能特征放大了光频梳和相干通信信号。这标志着在 PIC 中首次实现超宽带、高增益、连续波放大，为下一代光通信、计量和传感开辟了新能力。