近日，在Tobias J. Kippenberg教授的带领下，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员利用铒离子注入和氮化硅(Si3N4)光子集成电路，在一个小型光子芯片上制造了一个掺铒波导放大器(EDWAs)。据介绍，其长度可达0.5米，尺寸达到了毫米级的精细程度，能够产生超过145兆瓦（mW）的输出功率，并提供了超过30 dB的小信号净增益，在连续运行的通信波段中可转换为1000倍以上的光放大。这种放大器的上述性能，使其可与商业高端掺铒光纤放大器(EDFAs)以及硅光子学中最先进的异质集成III-V半导体放大器相媲美。
据这项研究的首席科学家、Kippenberg牵头实验室的研究员之一Yang Liu博士介绍，团队通过将离子注入到超低损耗氮化硅集成光子电路中，将孤子微梳输出功率提高了100倍，从而克服了以往科研人员们长期面临的挑战。离子注入（ion implantation）是一种晶圆级的工艺，即使在离子浓度非常高的情况下，也能从非常低的协同上转换中获益。
图片来源：EPFL光子与量子测量实验室(LPQM)
Yang Liu博士还总结表示，这种方法使他们能够在米级长度的紧凑波导中实现低损耗、高铒浓度和大模离子重叠因子——在过去的几十年中，这一直是个未能战胜的棘手挑战。
掺铒光纤放大器(EDFAs)发明于20世纪80年代，是一种在光纤中为光信号功率提供增益的器件。它们经常用于远距离通信光缆和光纤激光器，并逐渐取代了电子中继器的角色。
铒离子的特别之处就在于，它们应用在光通信领域时可以放大1.55 mm波长区域的光，而这正是硅基光纤传输损耗最低的波段。通常情况下，铒和稀土离子独特的电子内-4f壳层结构（intra-4-f shell structure）使其掺杂在玻璃等宿主材料内时能够维持在长寿命的激发态。这为多个信息携带通道同时放大提供了理想的增益介质，具有可忽略的串扰、高温稳定性和低噪声。
光学放大也几乎适用于所有的激光应用，从光纤传感和频率测量，到包括激光加工和激光雷达的工业应用。时至今日，基于稀土离子的光放大器已经成为光频率梳的主力，而光频率梳可以被用来制造世界上最精确的原子钟。
在光子集成电路中利用稀土离子实现光放大，可以实现集成光子的转换，凸显了从电子技术向更快的、基于光子的芯片技术转变的可能性。在20世纪90年代，贝尔实验室就曾着手研究掺铒波导放大器(EDWAs)，不过最终却放弃了——因为它们的增益和输出功率无法与基于光纤的放大器相匹配，而且它们的制造工艺与当代的光子集成制造技术之间也并不兼容。
即便随着集成光子学的近期兴起，对EDWAs的新一轮研发投入也只是实现了不到1兆瓦的输出功率，这对于许多实际应用来说远远不足。这其中的关键问题在于高波导背景损耗，高协同向上转换——高铒浓度下的增益限制因子，或者在紧凑的光子芯片中实现米级波导长度的长期挑战。
Kippenberg强调，此次EPFL团队的方案实现了高输出功率和高增益，意味着任何输入信号都可以达到足以长距离高速数据传输和限射噪声检测的功率水平，这对于任何放大器的实际运行而言都是至关重要的。而通过应用上述方案，科研人员将有望早日成功研制出芯片上的高脉冲能量飞秒激光器，实现光纤器件的小型化。
更让人惊喜的是，掺铒波导放大器(EDWAs)可广泛应用于自动驾驶场景下的光通信和激光雷达，以及大型量子网络中的量子传感和存储等等。而此次稀土离子作为集成光子学中高效增益介质的可行性得到了新的验证，将有望引发后续进一步研究，并覆盖更多的稀土离子应用，从而提供从可见光到中红外光谱部分的光学增益，乃至更高的输出功率。
上述研究由瑞士国家科学基金会(SNSF)、美国国防高级研究计划局 (DARPA)、空军科学研究办公室(AFOSR)、“地平线2020”项目提供资金支持。