광통신의 새로운 시대: 파라메트릭 증폭기의 잠재력

작성자: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne 2023년 1월 24일

본 연구에 사용된 광자 집적 회로. 크레딧: 토비아스 키펜베르그(EPFL), CC BY 4.0

광섬유의 광신호를 양자 한계까지 증폭시키는 능력은 현대 정보 사회를 뒷받침하는 중요한 기술 발전입니다. 1550nm 파장 대역은 실리카 광섬유(2008년 노벨 물리학상 수상)에서 손실이 낮을 뿐만 아니라 전송에 필수적인 신호 증폭을 가능하게 하기 때문에 광 통신에 사용됩니다. 해양섬유광통신.

Optical amplification plays a key role in virtually all laser-based technologies such as optical communication, used for instance in data centers to communicate between servers and between continents through trans-oceanic fiber links, to ranging applications like coherent Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) LiDAR – an emerging technology that can detect and track objects farther, faster, and with greater precision than ever before. Today, optical amplifiers based on rare-earth ions like erbium, as well as III-V semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">반도체는 실제 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

이 두 가지 접근법은 광학 전이에 의한 증폭을 기반으로 합니다. 그러나 광 신호 증폭에는 또 다른 패러다임이 있습니다. 즉, 전송선의 커패시턴스나 비선형성과 같은 작은 시스템 "매개변수"를 변경하여 신호 증폭을 달성하는 진행파 파라메트릭 증폭기입니다.

광섬유의 본질적인 비선형성을 활용하여 진행파 광 파라메트릭 증폭기를 생성할 수 있다는 것이 80년대부터 알려져 왔습니다. 이 증폭기의 이득은 원자 또는 반도체 전이와 무관합니다. 즉, 광대역이 가능하고 사실상 모든 신호를 포괄할 수 있습니다. 파장.

또한 파라메트릭 증폭기는 최소 입력 신호의 영향을 받지 않습니다. 즉, 단일 설정에서 가장 희미한 신호와 큰 입력 전력을 모두 증폭하는 데 사용할 수 있습니다. 마지막으로 이득 스펙트럼은 도파관 형상 최적화 및 분산 엔지니어링을 통해 맞춤화될 수 있으며 이는 대상 파장 및 응용 분야에 대한 엄청난 설계 유연성을 제공합니다.

가장 흥미로운 점은 기존의 반도체나 희토류 첨가 섬유로는 도달할 수 없는 특이한 파장 대역에서 파라메트릭 이득을 얻을 수 있다는 점입니다. 파라메트릭 증폭은 본질적으로 양자 제한이 있으며 무소음 증폭도 달성할 수 있습니다.

매력적인 기능에도 불구하고 광섬유의 광학 파라메트릭 증폭기는 실리카의 약한 Kerr 비선형성으로 인해 매우 높은 펌프 전력 요구 사항으로 인해 더욱 복잡해집니다. 지난 20년 동안 통합 광자 플랫폼의 발전으로 실리카 섬유에서는 달성할 수 없지만 연속파 작동 증폭기에서는 달성하지 못한 효과적인 Kerr 비선형성이 크게 향상되었습니다.

EPFL의 포토닉스 및 양자 측정 연구소 소장인 Tobias Kippenberg 교수는 "연속파 체제에서 작동하는 것은 단순한 '학술적 성과'가 아닙니다."라고 말했습니다. "실제로 이는 모든 입력 신호(예: 광학적으로 인코딩된 정보, LiDAR의 신호, 센서 등)가 증폭될 수 있음을 의미하므로 모든 증폭기의 실제 작동에 매우 중요합니다. 시간 및 스펙트럼 연속, 이동- 파동 증폭은 현대 광통신 시스템과 광학 감지 및 거리 측정을 위한 새로운 애플리케이션에서 증폭기 기술을 성공적으로 구현하는 데 중추적인 역할을 합니다."