Wzmacniacz optyczny wysokiej wydajności do urządzeń mikroelektronicznych

Wzmacniacz wysokiej wydajności (Zdjęcie: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen) / (Obraz: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen)

Badacze z DESY opracowali milimetrowej wielkości wysokowydajny wzmacniacz o mocy wyjściowej ponad 1 wata na opartych na krzemie mikroczipach optycznych. Ta moc wyjściowa jest wielokrotnie większa niż to, co dotąd można było osiągnąć na tym niewielkim poziomie i umożliwia stosowanie na chipie wysokiej mocy wzmacniaczy w ramach fotoniki zintegrowanej, zamiast zewnętrznych wzmacniaczy. Dzięki temu można by znacznie łatwiej i taniej obsługiwać miniaturowe urządzenia i czujniki, takie jak na przykład w chirurgii medycznej, teledetekcji laserowej, telekomunikacji, a także w optycznych układach dla przyszłych akceleratorów i źródeł rentgenowskich, które stają się coraz bardziej popularne. Badacze potwierdzili eksperymentalnie, że takie bardzo kompaktowe wysokowydajne wzmacniacze są możliwe, o czym informuje czasopismo Nature Photonics.

Wysokowydajne wzmacniacze są kluczowymi elementami nowoczesnych systemów optycznych. „Aby można je było szerzej stosować, takie systemy powinny być bardzo małe, podobnie jak mikroelektronika — możliwie w zakresie milimetrów — jednak bez utraty mocy. Ponadto powinny być masowo produkowane i tym samym niedrogie”, mówi główny autor badania Neetesh Singh, pracujący w grupie DESY zajmującej się ultrakrótkimi impulsami laserowymi i fizyką rentgenowską w Centrum Fotoniki Wolnego Elektronu (CFEL). Miniaturyzacja jednak napotyka granice, ponieważ im mniejszy jest układ optyczny, tym mniej energii może on przechowywać i dostarczać. Dotychczas nie udało się zbudować odpowiednio małych wzmacniaczy optycznych wysokiej mocy, które można by zintegrować na mikroczipie. Zamiast tego takie mikrosystemy do tej pory korzystały z zewnętrznych, znacznie większych wzmacniaczy stołowych.

W nowym badaniu jednak zespół Singh po raz pierwszy użył tak zwanego światłowodu z dużym obszarem modowym (LMA), który wcześniej specjalnie opracował, do wzmocnienia sygnału świetlnego na najmniejszej przestrzeni. Kluczowa jest tu przekroju poprzeczny pola elektrycznego prowadzonego przez światłowód, zwany „modem”. W obecnych eksperymentach zespół Singhowi udało się powiększyć przekrój modów w fotonicznym światłowodzie z azotku krzemu i tlenku glinu z zaledwie jednego do 30 mikrometrów kwadratowych. W ten sposób moc wyjściowa wzrosła z kilku dziesiątek miliwatów do ponad 1 wata.

Za to odpowiada skomplikowany układ na powierzchni mikroczipu o wielkości zaledwie 4 milimetrów kwadratowych, na którym sygnał świetlny jest prowadzony przez wąski, osadzony w strukturze azotek krzemu światłowód, pokryty warstwą tlenku glinu o kontrolowanej grubości. Azotek krzemu może wielokrotnie przechodzić przez region o dużym obszarze modowym (LMA). Sygnał optyczny w światłowodzie zaczyna się od małego, słabego i prowadzony w światłowodzie, ale następnie przechodzi przez celowo zaprojektowaną rozbudowę światłowodu. „W ten sposób mod jest jakby wyciskany z światłowodu, znacznie powiększa swój przekrój i unosi się jak chmura nad warstwą tlenku glinu położoną nad światłowodem”, wyjaśnia Singh. „Jednocześnie pozostaje połączony z pierwotnym światłowodem jako przewodnik, niczym gorący balon z koszem.”

Warstwa tlenku glinu jest pełna jonów tulu, które dzięki tak zwanej optycznej pompie — zewnętrznemu laserowi — są wzbudzane do stanu energetycznego, czyli stanu wyższego poziomu. Te jony wchodzą w interakcję z fotonami sygnałowymi modów w stosunkowo dużym obszarze, zwanym „obszarem dużego modowego (LMA)”. I właśnie dlatego, że moda jest tak duża, fotony mogą wchodzić w interakcję z wieloma naładowanymi jonami i od nich energię pobierać: „Podobnie jak duży pług śnieżny może od razu zebrać więcej śniegu niż mała łopata, tak duża moda może zawierać więcej jonów”, mówi Singh.

Badacze jeszcze bardziej wzmacniają sygnał, wielokrotnie go przesyłając przez obszar LMA. W tym celu światłowód ponownie się rozszerza, przyciągając unoszącą się nad nim chmurę sygnału z powrotem do wąskiego azotkowego światłowodu, robi na krawędzi chipu zakręt o 180 stopni, ponownie kieruje sygnał przez obszar LMA i rozbudowuje go, aby moda znów została sprasowana do warstwy energetycznej, co pozwala na jeszcze większą moc.

W efekcie otrzymuje się znacznie silniejszy sygnał niż na początku. I to na małej przestrzeni, zintegrowanej na mikroczipie. Przy tym jakość sygnału pozostaje nienaruszona. Zewnętrzne wzmacniacze stają się w wielu systemach zbędne, a systemy stają się nie tylko mniejsze, ale także tańsze i bardziej niezawodne: „Nasz mikro-LMA wysokowydajny wzmacniacz pozwala nam w przyszłości integrować złożone układy optyczne o wysokiej mocy wyjściowej, tak jak od dawna znamy to z mikroelektroniki. To umożliwi nam produkcję złożonych systemów optycznych dla akceleratorów, źródeł rentgenowskich i wielu innych zastosowań tanio, niezawodnie i na dużą skalę”, podkreśla lider grupy ultrakrótkich impulsów laserowych i fizyki rentgenowskiej, Franz Kärtner, który jest także profesorem fizyki na Uniwersytecie w Hamburgu.

Prace badawcze zostały sfinansowane zarówno przez Europejską Radę Innowacji — program EIC-Pathfinder „Femtochip”, jak i przez program główny 2111 niemieckiego Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): „Ultraszybka obróbka sygnałów z wykorzystaniem nanofotoniki/-elektroniki” projekt PACE (403188360). Rozbudowana produkcja została przeprowadzona we współpracy z firmą LIGENTEC, SA w Szwajcarii oraz grupą Soni M. Garcia-Blanco z instytutu MESA+ na Uniwersytecie Twente w Holandii, więcej informacji na https://www.femtochip.eu/.

Numer DOI oryginalnej publikacji „Watt-class silicon photonics-based optical high-power amplifier” to 10.1038/s41566-024-01587-9: https://www.nature.com/articles/s41566-024-01587-9