Nature Photonics：瓦特级硅光放大器！！！
科技
2025-01-10 09:15
英国
近日，由德国电子同步加速器研究中心 (DESY)、特文特大学 (University of Twente) 和瑞士LIGENTEC公司组成的国际研究团队，发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种基于硅光子学的瓦特级高功率光学放大器。这种突破性的芯片设备，能够在极小的4.4平方毫米的面积内输出超过1瓦的功率。这项研究以“Watt-class silicon photonics-based optical high-power amplifier”（瓦特级硅光子学高功率放大器）为题，发表在国际权威期刊《Nature Photonics》上。高功率光学放大器是现代光学系统中的核心部件，在光通信、光学频率梳、光谱学以及激光雷达等领域具有广泛的应用。然而，传统高功率放大器往往依赖笨重的光纤和固态设备，这限制了系统的集成化和小型化。尤其是在太空探索等对体积和重量高度敏感的环境中，集成化的高功率解决方案至关重要。此前，集成光子学由于尺寸和能量存储能力的限制，难以实现高功率输出。尽管近年来光纤技术通过大模场面积（LMA）大幅提升了能量存储能力和功率处理能力，但将这一技术迁移至硅光子学平台始终面临制造复杂性和热稳定性等多重挑战。此次研究创新性地在硅光子学平台上集成了LMA波导技术，并采用铝氧化物掺铥（Tm³⁺:Al₂O₃）作为增益介质。在实验中，研究团队实现了单模光的高功率放大，输出功率达1瓦，并且净增益高达16.5分贝。更重要的是，这种放大器的面积仅为4.4平方毫米，显著超越了传统光纤放大器的功率密度。通过将增益层设计为>1.35微米厚，结合高效的波导模式转换，实现了高能量存储能力和高增益饱和功率。掺铥铝氧化物的宽带增益特性，覆盖1.75微米到超过2微米的波长范围，支持了广泛的光学应用。采用带内泵浦技术降低了量子缺陷，同时提高了能量转换效率。在CMOS兼容的硅基平台上成功集成了多层结构，为大规模量产铺平了道路。这种瓦特级硅光子学高功率放大器的研发成功，不仅标志着集成光子学迈向高功率应用的新阶段，还为小型化激光雷达，微创手术，光通信与光传感与光计算等领域带来了颠覆性的可能性。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01587-9
