Optický vysokovýkonný zesilovač pro mikrozařízení

Výkonný zesilovač (Obrázek: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen)

Vědci z DESY vyvinuli milimetr velký vysokovýkonný zesilovač s výstupním výkonem přesahujícím jeden watt na silikonových optických mikročipech. Tento výstupní výkon je násobkem toho, co bylo dosud možné na tomto malém měřítku dosáhnout, a umožňuje použití vysokovýkonných zesilovačů přímo na čipu v rámci integrované fotoniky, namísto externích zesilovačů. Díky tomu by mohly být mnohem jednodušší a levnější provozované miniaturizované zařízení a senzory, například v lékařské chirurgii, laserové dálkovém průzkumu, telekomunikacích, ale také v optických obvodech pro budoucí urychlovače a rentgenové zdroje, které se stále častěji používají. Výzkumníci nyní experimentálně potvrdili, že jsou možné tyto velmi kompaktní vysokovýkonné zesilovače, jak uvádí v časopise Nature Photonics.

Vysokovýkonné zesilovače jsou kritickými součástmi moderních optických systémů. „Aby je bylo možné používat širším způsobem, měly by být tyto systémy velmi malé, podobně jako mikroelektronika – co nejvíce v milimetrovém rozsahu – avšak bez snížení výkonu. Navíc by měly být hromadně vyráběné a tím i levné,“ říká hlavní autor studie Neetesh Singh, který pracuje ve skupině DESY pro ultrakrátké lasery a rentgenovou fyziku v Centru pro volně pohybující se elektronové lasery (CFEL). Miniaturizace však naráží na hranice, protože optický systém čím menší je, tím méně energie dokáže uložit a poskytnout výkon. Dosud se nepodařilo vyrobit tak malé optické vysokovýkonné zesilovače, které by šly integrovat na mikročip. Místo toho jsou takové mikrosystémy dosud závislé na externích, mnohem větších stolních zesilovačích.

V nové studii však tým Singh poprvé použil takzvaný Large Mode Area (LMA) vlnovod, který si předtím sám vyvinul, k zesílení světelného signálu na nejmenším prostoru. Klíčová je průřezová plocha elektrického pole vedeného vlnovodem, nazývaná „mód“. V aktuálních pokusech se Singhův tým podařilo zvětšit průřez modů v fotonickém vlnovodu z oxidu hlinitého a nitridu křemičitého z pouhého jednoho na 30 mikrometrů čtverečních. Díky tomu bylo možné zvýšit výstupní výkon z několika desítek miliwattů na více než watt.

Za tím stojí sofistikovaný návrh mikročipu o rozloze pouhých čtyři čtvereční milimetry, na jehož povrchu je světelný signál veden úzkým, vloženým vlnovodem z nitridu hlinitého, pokrytým vrstvou oxidu hlinitého s kontrolovanou tloušťkou. Nitrid hlinitý vlnovod může několikrát vést takzvanou LMA oblast. Světelný signál v vlnovodu začíná jako v jiných fotonických vlnovodech malý, slabý a vedený vlnovodem. Poté však prochází cílenou rozšířenou částí vlnovodu. „Tím je mód vytlačena z vlnovodu, výrazně se zvětší její průřez a nyní „pluje“ jako obláček nad vrstvou oxidu hlinitého nad vlnovodem,“ vysvětluje Singh. „Přitom je však stále spojena s původním vlnovodem jako vzduchový balónek s košem.“

Vrstva oxidu hlinitého je plná thulium iontů, které jsou pomocí takzvaného optického čerpadla – externího laseru – uvedeny do excitovaného, tj. energicky bohatého stavu. Tyto ionty nyní interagují se signálními fotony módu ve značně velkém rozsahu, označovaném jako „Large Mode Area“ nebo „LMA oblast“. A právě proto, že mód je nyní tak velký, mohou fotony s ním interagovat s velkým počtem nabitých iontů a odebírat jim energii: „Jako velký sněhový pluh může odhrnout více sněhu najednou než malá lopata, tak velký mód může obsahovat více iontů,“ říká Singh.

Výzkumníci dále zesilují signál tím, že jej několikrát procházejí oblastí LMA. K tomu se vlnovod opět rozšiřuje, čímž vytahuje visící signální obláček zpět do úzkého nitridového vlnovodu, na okraji čipu udělá 180stupňový oblouk, signál znovu vede oblastí LMA a znovu se zmenšuje, takže mód je opět stlačen do energeticky bohaté vrstvy, aby mohl načerpat ještě více výkonu.

Na konci tak získáme signál mnohem silnější než na začátku. A to na nejmenším prostoru, integrovaném na mikročipu. Přitom kvalita signálu zůstává zachována. Externí zesilovače jsou tak v mnoha systémech zbytečné, a systémy jsou nejen menší, ale i levnější a spolehlivější: „Náš mikro-LMA vysokovýkonný zesilovač nám v budoucnu umožní integrovat složité optické obvody s vysokým výstupním výkonem, stejně jako to již dlouho známe z mikroelektroniky. To nám umožní vyrábět složité optické systémy pro urychlovače, rentgenové zdroje nebo i mnoho dalších aplikací levně a s vysokou spolehlivostí,“ zdůrazňuje vedoucí skupiny pro ultrakrátké lasery a rentgenovou fyziku, Franz Kärtner, který přednáší také fyziku na Hamburské univerzitě.

Tato výzkumná práce byla financována jak European Innovation Council – EIC-Pathfinder Program „Femtochip“, tak i programem 2111 Německé výzkumné společnosti (DFG): „Ultraschnelle Signalverarbeitung durch Verwendung von nanophotonischer/-elektronischer Technologie“ projekt PACE (403188360). Rozsáhlá výroba byla provedena ve spolupráci s firmou LIGENTEC, SA ve Švýcarsku a skupinou Soni M. Garcia-Blanco na MESA+ institutu na University of Twente v Nizozemsku, viz také https://www.femtochip.eu/.

DOI číslo původní publikace 'Watt-class silicon photonics-based optical high-power amplifier' je 10.1038/s41566-024-01587-9: https://www.nature.com/articles/s41566-024-01587-9