Amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs) são dispositivos que podem fornecer ganho para a potência do sinal óptico em fibras ópticas. Eles são frequentemente usados ​​em cabos de fibra óptica de comunicação de longa distância e lasers baseados em fibra. Inventados na década de 1980, os EDFAs impactaram profundamente nossa sociedade da informação, permitindo que os sinais fossem roteados através do Atlântico e substituindo os repetidores elétricos.
O que é interessante sobre os íons de érbio em comunicações ópticas é que eles podem amplificar a luz na região de comprimento de onda de 1,55 mm, que é onde as fibras ópticas à base de sílica têm a menor perda de transmissão. A estrutura eletrônica única intra-4-f do érbio - e íons de terras raras em geral - permite estados excitados de longa duração quando dopados dentro de materiais hospedeiros, como vidro. Isso fornece um meio de ganho ideal para amplificação simultânea de vários canais de transporte de informações, com cross-talk insignificante, estabilidade de alta temperatura e baixo ruído.

A amplificação óptica também é usada em praticamente todas as aplicações a laser, desde detecção de fibra e metrologia de frequência até aplicações industriais, incluindo usinagem a laser e LiDAR. Hoje, amplificadores ópticos baseados em íons de terras raras tornaram-se o cavalo de batalha para pentes de frequência óptica, que são usados ​​para criar os relógios atômicos mais precisos do mundo.

Alcançar a amplificação da luz com íons de terras raras no circuito integrado fotônico pode transformar a fotônica integrada. Na década de 1990, os Laboratórios Bell estavam analisando amplificadores de guia de onda dopados com érbio (EDWAs), mas finalmente os abandonou porque seu ganho e potência de saída não podiam corresponder aos amplificadores baseados em fibra, enquanto sua fabricação não funciona com técnicas contemporâneas de fabricação de integração fotônica.

Mesmo com o recente aumento da fotônica integrada, esforços renovados em EDWAs só conseguiram atingir menos de 1 mW de potência de saída, o que não é suficiente para muitas aplicações práticas. O problema aqui tem sido a alta perda de fundo do guia de onda, alta conversão cooperativa – um fator limitante de ganho em alta concentração de érbio, ou o desafio de longa data em alcançar comprimentos de guia de onda em escala de metros em chips fotônicos compactos.

Agora, pesquisadores da EPFL, liderados pelo professor Tobias J. Kippenberg, construíram um EDWA baseado em nitreto de silício (Si₃ N₄ ) circuitos integrados fotônicos de comprimento de até meio metro em uma escala milimétrica, gerando uma potência de saída recorde de mais de 145 mW e fornecendo um ganho líquido de sinal pequeno acima de 30 dB, o que se traduz em uma amplificação de mais de 1000 vezes no banda de telecomunicações em operação contínua. Esse desempenho corresponde aos EDFAs comerciais de ponta, bem como aos amplificadores semicondutores III-V heterogeneamente integrados de última geração em fotônica de silício.

"Superamos o desafio de longa data aplicando a implantação de íons - um processo em escala de wafer que se beneficia de uma conversão cooperativa muito baixa, mesmo em uma concentração de íons muito alta - aos circuitos fotônicos integrados de nitreto de silício de perda ultrabaixa", diz o Dr. Yang Liu, um pesquisador do laboratório de Kippenberg e o principal cientista do estudo publicado na Science .

"Esta abordagem nos permite obter baixa perda, alta concentração de érbio e um grande fator de sobreposição de íons de modo em guias de onda compactos com comprimentos de escala de metros, que anteriormente permaneceram sem solução por décadas", diz Zheru Qiu, Ph.D. aluna e coautora do estudo.

"Operar com alta potência de saída e alto ganho não é uma mera conquista acadêmica; na verdade, é crucial para a operação prática de qualquer amplificador, pois implica que qualquer sinal de entrada pode atingir os níveis de potência que são suficientes para altas distâncias. transmissão de dados de alta velocidade e detecção limitada de ruído de disparo; também sinaliza que os lasers de femtosegundo de alta energia de pulso em um chip podem finalmente se tornar possíveis usando essa abordagem", diz Kippenberg.

A descoberta sinaliza um renascimento de íons de terras raras como meios de ganho viáveis ​​em fotônica integrada, pois as aplicações de EDWAs são praticamente ilimitadas, desde comunicações ópticas e LiDAR para condução autônoma, até sensoriamento quântico e memórias para grandes redes quânticas. Espera-se desencadear estudos de acompanhamento que cobrem ainda mais íons de terras raras, oferecendo ganho óptico da parte visível até a parte do infravermelho médio do espectro e potência de saída ainda maior. + Explorar mais

Nova tecnologia cria circuitos fotônicos integrados de perda ultrabaixa