Una nuova era delle comunicazioni ottiche: il potenziale degli amplificatori parametrici

Da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne24 gennaio 2023

I circuiti integrati fotonici utilizzati in questo studio. Credito: Tobias Kippenberg (EPFL), CC BY 4.0

La capacità di amplificare i segnali ottici nelle fibre ottiche fino al loro limite quantico è un progresso tecnologico cruciale su cui si fonda la nostra moderna società dell’informazione. La banda di lunghezza d'onda di 1550 nm è utilizzata nelle telecomunicazioni ottiche perché non solo ha una bassa perdita nelle fibre ottiche di silice (per le quali è stato assegnato il Premio Nobel per la fisica nel 2008), ma anche perché consente l'amplificazione di questi segnali, essenziali per la trasmissione comunicazione in fibra ottica oceanica.

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"}]">semiconduttori, sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni del mondo reale.

Questi due approcci si basano sull'amplificazione mediante transizioni ottiche. Ma esiste un altro paradigma di amplificazione del segnale ottico: gli amplificatori parametrici a onde viaggianti, che ottengono l'amplificazione del segnale variando un piccolo "parametro" del sistema, come la capacità o la non linearità di una linea di trasmissione.

È noto fin dagli anni '80 che la non linearità intrinseca delle fibre ottiche può essere sfruttata anche per creare amplificatori ottici parametrici ad onda progressiva, il cui guadagno è indipendente dalle transizioni atomiche o di semiconduttore, il che significa che può essere a banda larga e coprire virtualmente qualsiasi lunghezza d'onda.

Inoltre, gli amplificatori parametrici non soffrono di un segnale di ingresso minimo, il che significa che possono essere utilizzati per amplificare sia i segnali più deboli che una grande potenza di ingresso in un'unica impostazione. Infine, lo spettro del guadagno può essere personalizzato mediante l'ottimizzazione della geometria della guida d'onda e l'ingegneria della dispersione, che offre un'enorme flessibilità di progettazione per le lunghezze d'onda e le applicazioni target.

La cosa più interessante è che il guadagno parametrico può essere derivato in bande di lunghezze d'onda insolite che sono fuori dalla portata dei semiconduttori convenzionali o delle fibre drogate con terre rare. L'amplificazione parametrica è intrinsecamente limitata dal punto di vista quantico e può persino ottenere un'amplificazione silenziosa.

Nonostante le loro caratteristiche interessanti, gli amplificatori parametrici ottici in fibra sono aggravati dai loro requisiti di potenza di pompa molto elevati derivanti dalla debole non linearità Kerr della silice. Negli ultimi due decenni, i progressi nelle piattaforme fotoniche integrate hanno consentito una nonlinearità Kerr effettiva significativamente migliorata che non può essere ottenuta nelle fibre di silice ma non ha consentito di ottenere amplificatori a onda continua.

"Operare in regime di onda continua non è un semplice 'risultato accademico'", afferma il professor Tobias Kippenberg, capo del Laboratorio di fotonica e misurazioni quantistiche dell'EPFL. "In effetti, è fondamentale per il funzionamento pratico di qualsiasi amplificatore, poiché implica che qualsiasi segnale in ingresso possa essere amplificato, ad esempio informazioni codificate otticamente, segnali da LiDAR, sensori, ecc. Continuo nel tempo e nello spettro, in viaggio. l'amplificazione delle onde è fondamentale per un'implementazione di successo delle tecnologie di amplificazione nei moderni sistemi di comunicazione ottica e nelle applicazioni emergenti per il rilevamento e la misurazione ottica."