將光纖中的光信號放大到其量子極限的能力是支撐我們現代信息社會的一項關鍵技術進步。1550納米波長段被用於光通信，因為它不僅在二氧化矽光纖中具有低損耗（為此獲得了2008年諾貝爾物理學獎），而且還因為它可以放大這些信號，這對於跨洋光纖通信至關重要。

本研究中使用的光子集成電路。資料來源：Tobias Kippenberg（EPFL），CC BY 4.0

光放大在幾乎所有基於激光的技術中都發揮著關鍵作用，如光通信（用於數據中心，通過跨洋光纖鏈路在服務器之間和大陸之間進行通信），以及相干調頻連續波（FMCW）LiDAR等測距應用–這是一項新興技術，可以比以往更遠、更快、更精確地探測和跟踪物體。今天，基於鉺等稀土離子以及III-V族半導體的光放大器被廣泛用於現實世界的應用。

這兩種方法都是基於光學轉換的放大。但還有另一種光學信號放大的模式：光參量放大器，它通過改變一個小的系統”參數”，如傳輸線的電容或非線性來實現信號放大。

自80年代以來，人們已經知道，包含光纖的內在非線性也可以被利用來創造行波光參量放大器，其增益與原子或半導體轉換無關，這意味著它可以是寬頻帶的，幾乎覆蓋任何波長。

光參量放大器也不會受到最小輸入信號的影響，這意味著它們可以在一次設置中同時放大最微弱的信號和大輸入功率。最後，增益光譜可以通過波導幾何優化和色散工程來定制，這為目標波長和應用提供了巨大的設計靈活性。

最耐人尋味的是，光參量增益可以在傳統半導體或摻稀土光纖無法企及的不尋常波段得到，參量放大在本質上是有量子限制的，甚至可以實現無噪音的放大。

儘管光纖中的光參量放大器具有吸引人的特點，但由於二氧化矽的弱克爾非線性，它們對泵浦功率的要求非常高。在過去的20年裡，集成光子平台的進步使有效的克爾非線性得到了明顯的增強，這在矽纖維中是無法實現的，但通信行業還沒有實現連續波操作的放大器。

“在連續波系統中運行不是一個單純的’學術成就’，”EPFL的光子學和量子測量實驗室負責人Tobias Kippenberg教授說。”事實上，它對任何放大器的實際操作都至關重要，因為它意味著任何輸入信號都可以被放大–例如，光學編碼的信息、來自LiDAR和傳感器的信號等。時間和頻譜連續的行波放大對於現代光通信系統中的放大器技術的成功實施以及光學傳感和測距的新興應用來說是至關重要的。”

由Kippenberg小組的Johann Riemensberger博士領導的一項新研究現在已經解決了這一挑戰，開發了一個基於光子集成電路的行波放大器，在連續系統中運行。”Riemensberger說：”我們的成果是十多年來在集成非線性光子學和追求更低的波導損耗方面的研究努力的結晶。

研究人員使用了一個超過兩米長的超低損耗氮化矽光子集成電路，在一個3×5平方毫米的光子芯片上建立了第一個行波放大器。該芯片在連續體制下工作，在電信波段提供7dB的片上淨增益和2dB的光纖到光纖淨增益。最近，查爾姆斯大學的Victor Torres-Company和Peter Andrekson小組也在氮化矽中實現了片上淨增益參數放大功能。

在未來，該團隊可以使用精確的光刻控制來優化波導色散，使參數增益帶寬超過200納米。由於氮化矽的基本吸收損耗非常低（約0.15 dB/米），進一步的製造優化可以使芯片的最大參數增益超過70 dB，只需750 mW的泵浦功率，超過最好的光纖放大器的性能。

“這種放大器的應用領域是無限的，”Kippenberg說。”從可以將信號擴展到典型電信頻段之外的光通信，到中紅外或可見光激光和信號放大，再到LiDAR或其他應用，其中激光被用來探測、感應和詢問經典或量子信號。”