痴汉 《当然》硅光子学的紧要恣意：瓦级光功率放大器

在咫尺科技飞快发展的时间痴汉，光电子领域的转变后果不休涌现，每一次恣意都有可能重塑行业样式。今天，咱们要深入了解的是德国电子同步加快器计划中心（DESY）的 Neetesh Singh 相当团队带来的一项具有里程碑意念念的计划后果 —— 基于硅光子学的瓦级光功率放大器。

一、计划配景与挑战

在当代光学系统的盛大应用场景中，高功率放大器起着举足轻重的作用。从良友光学传感、光通讯系统，到微加工和医疗手术等领域，高功率放大器都是不能或缺的瑕玷组件。传统上，高功率放大器多为固态和光纤台式系统，这些系统凭借较大的光学模式横截面、增益面积和长光程长度，领有较大的能量存储容量。关联词，跟着科技的发展，系统级微型化成为了势必趋势，尤其是在深空等恶劣环境的应用中，传统台式系统的短处逐渐清晰。其弘大的尺寸和分量成为了难以朝上的扼制，使得微型化和大范围坐褥变得极为鬈曲，这严重甩掉了其在一些对缔造体积和分量有严格条件的场景中的应用。

集成光子学虽具有大幅裁汰尺寸、分量和本钱的后劲，但历久以来，由于蒙眬片上高功率放大器，在上述高功率应用领域一直无法充分进展其上风。

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当年的计划中，光纤放大器和半导体放大器在电信等行业取得了一定成绩，但在光子集成方面却濒临着诸多辣手的挑战。举例，半导体放大器在光电子集成流程中鬈曲重重，稀土掺杂的半导体器件尽管光学性能精采，但输出功率遥远较低，难以疯狂骨子应用的需求

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二、时刻恣意：LMA 波导时刻的应用

为了攻克这些难题痴汉，计划团队将眼神聚焦在了大容貌式积（LMA）时刻上。在光纤放大器领域，LMA 时刻已被诠释是提高输出功率和能量的灵验技能。在集成光子学中，计划团队斗胆转变，领受了与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的 LMA 波导时刻。

这种时刻的上风在于，它梗概在极为紧凑的芯单方面积内显耀增多能量存储容量和增益富裕功率，同期灵验幸免了非线性不清爽性的问题。在实践联想关节，计划团队经心打造了独到的增益波导结构。该波导由底部埋在二氧化硅中的氮化硅（SiN）层和顶部的增益层构成。他们采取铥掺杂氧化铝（Tm³⁺:Al₂O₃）看成增益介质，这主如果因为其易于获取，况且在中红外医疗和国防等领域有着凡俗的应用出息。

通过对波导各层的厚度和宽度进行精确联想，如将 SiN 层厚度设定为 800nm，宽度设为 280nm，增益层厚度大于 1.35μm 等，告捷收场了对光模式的灵验调控。模拟完结骄傲，在 1.85μm 波所长，信号的模式面积约为 30μm²，而在 1.61μm 波所长，泵浦的模式面积约为 31μm²，泵浦和信号模式与增益层的叠加率远离高达 94% 和 92%，且两者之间的叠加率大于 98%，这为高效的光放大提供了有劲保险。

三、实践流程与完结

在制作流程中，计划团队充分进展了硅光子学制造工艺的上风。领先在 LIGENTEC 制造波导的无源部分，随后在特文特大学应用射频溅射用具千里积增益层。在这一系列复杂的工艺流程中，每一个步伐都需要精确规矩。举例，要严格规矩 SiN 层的蚀刻角度，使其侧墙角度达到 89°，同期将 SiN 厚度和折射率的尺度偏差远离规矩在 ±5% 和 ±0.25% 以内。在千里积增益层时，要确保千里积温度约为 400°C，千里积速度在 4 - 5nm/min 足下，且每次动手的偏差不高出 1nm，还要精确规矩铝靶和铥靶的功率，从而笃定薄膜中的离子浓度。通过这些精致的工艺操作，最终告捷制备出了高质地的芯片。

实践安设的搭建雷同经过了经心联想。泵浦激光通过透镜精确耦合进入光纤波分复用器（WDM）的泵浦通说念，再经熔接的透镜光纤与芯片紧密络续；信号则从超聚合谱源经过带通滤波器的筛选后，由 WDM 的信号通说念准确输入芯片。在实践流程中，计划团队领受了共传播泵浦和信号有野心，并通过将芯片安装在导热胶带上等方式对芯片进行了灵验的散热惩处，确保芯片在高功率动手下梗概保抓清爽。

经过大都的实践测试，取得了令东说念主瞩贪图后果。当输入信号功率约为 36mW 时，输出信号功率接近 1W，收场了约 14.5dB 的净增益；在寄生激光出现前，关于约 18mW 的信号，可取得高达 16.5dB 的净增益，调治效能在 63% - 66% 之间。此外，计划团队还对不同泵浦功率和信号功率下放大器的性能进行了全面深入的计划，包括增益富裕特色、发光特色、噪声特色等方面。

在计划发光特色时，计划团队领受端面耦合泵浦和平面外网罗安设进行光致发光（PL）测量。解懒散现，TM 模式在低功率下的上能级寿命为 1ms，而在高泵浦功率（>300mW）时，由于能量调动上调治流程，其寿命下跌至 720μs。同期还发现，较大模式（TE 模式）的 PL 更强，这意味着其对应着更高的增益。

在噪声性能方面，计划团队应用信号源分析仪对放大器引入的相对强度噪声（RIN）进行了测量。测量完结标明，在一定频率范围内，RIN 低于输入噪声，这收获于增益对信号噪声的高通滤波效应。况且，在不同信号功率下，噪声增多幅度较小，其性能彰着优于包层泵浦的 LMA 光纤高功率放大器。在对噪声通盘（NF）的测试中还发现，跟着净增益的增多，NF 逐渐裁汰，这与表面预期都备相符。

四、计划后果的意念念与影响

这项计划后果在时刻和应用层面都具有极其重要的意念念。从时刻角度来看，它告捷恣意了集成光子学在高功率应用方面的瓶颈，为将来更小尺寸、更高能量存储的放大器联想提供了全新的念念路和可能性。在应用领域，其影响凡俗而深切。在光频合成领域，全硅光组件对长波长激光的需求一直是计划的要点和难点。该后果的出现为光频合成提供了遒劲的长波长激光源，将有劲鼓励光学原子钟、干系通讯和微波光子学等应用的发展，提高这些领域的时刻水和睦应用效果。

在时刻优化方面，计划团队谋略进一步普及放大器的性能。他们将戮力于探索何如进一步提高输出功率，通过不休矫正波导结构联想，如愈加精致地休养增益层、中间氧化物层和 SiN 层的参数，收场更大的容貌式积，从而进一步增多能量存储和功率惩处身手。同期，在裁汰噪声方面，计划团队将积极尝试领受新的材料和工艺，长途减少芯片里面的散射和接纳损耗，提高信号的质地，使放大器的性能愈加清爽和可靠。

在应用拓展方面，除了仍是提到的领域，在光通讯领域，跟着数据传输速度的飞快增长，对高功率、高性能的光放大器的需求日益进犯。该瓦级光功率放大器有望在长距离光通讯链路中进展瑕玷作用，看成信号增强的中枢缔造，显耀提高通讯系统的可靠性和传输距离，疯狂日益增长的通讯需求。在激光加工领域，如精微细加工和 3D 打印等，高精度、高能量的激光束是收场高质地加工的瑕玷成分。基于硅光子学的放大器不错为激光源提供更高的功率输出，疯狂复杂加工工艺的条件，鼓励激光加工时刻的发展和转变。

从产业发展的角度来看，这一时刻的告捷研发将诱骗更多的企业和计划机构投身到硅光子学领域。预计产业链将迎来快速发展的机遇期，从材料制造、芯片联想与加工，到缔造集成与应用开荒等各个关节都将得到极大的鼓励。这不仅将促进光电子产业的升级换代，还将带动半导体制造缔造、光学元件、测试仪器等预计落魄游产业的协同发展，酿成一个弘大而充满活力的产业生态系统。

在海外竞争方面，列国科研团队和企业必将加快在集成光子学高功引导域的研发进度。我国的科研机构和企业也应高度疼爱这一时刻趋势，加大研发干与，加强产学研互助，积极培养专科东说念主才，普及我国在光电子领域的中枢竞争力，在大众光电子时刻的热烈竞争中占据成心地位，为我国的科技转变和经济发展提供强有劲的赈济。#瓦

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