Uma nova era de comunicações ópticas: o potencial dos amplificadores paramétricos

Por Escola Politécnica Federal de Lausanne, 24 de janeiro de 2023

Os circuitos integrados fotônicos utilizados neste estudo. Crédito: Tobias Kippenberg (EPFL), CC BY 4.0

A capacidade de amplificar sinais ópticos em fibras ópticas até seu limite quântico é um avanço tecnológico crucial que sustenta nossa moderna sociedade da informação. A banda de comprimento de onda de 1550 nm é utilizada em telecomunicações ópticas, não só porque apresenta baixas perdas em fibras ópticas de sílica (que lhe renderam o Prêmio Nobel de Física de 2008), mas também porque permite a amplificação desses sinais, essenciais para a transmissão comunicação de fibra óptica oceânica.

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"}]">semicondutores, são amplamente utilizados em aplicações do mundo real.

Essas duas abordagens são baseadas na amplificação por transições ópticas. Mas há outro paradigma de amplificação de sinal óptico: os amplificadores paramétricos de ondas viajantes, que alcançam a amplificação do sinal variando um pequeno "parâmetro" do sistema, como a capacitância ou a não linearidade de uma linha de transmissão.

Sabe-se desde os anos 80 que a não linearidade intrínseca das fibras ópticas também pode ser aproveitada para criar amplificadores paramétricos ópticos de ondas viajantes, cujo ganho é independente de transições atômicas ou semicondutoras, o que significa que pode ser de banda larga e cobrir praticamente qualquer Comprimento de onda.

Os amplificadores paramétricos também não sofrem com um sinal de entrada mínimo, o que significa que podem ser usados ​​para amplificar os sinais mais fracos e grandes potências de entrada em uma única configuração. E, finalmente, o espectro de ganho pode ser adaptado pela otimização da geometria do guia de onda e engenharia de dispersão, que oferece enorme flexibilidade de projeto para comprimentos de onda e aplicações alvo.

O mais intrigante é que o ganho paramétrico pode ser derivado em bandas de comprimento de onda incomuns que estão fora do alcance de semicondutores convencionais ou fibras dopadas com terras raras. A amplificação paramétrica é inerentemente limitada pelo quantum e pode até atingir amplificação sem ruído.

Apesar de suas características atraentes, os amplificadores paramétricos ópticos em fibras são compostos por seus requisitos de potência de bombeamento muito altos, resultantes da fraca não linearidade de Kerr da sílica. Nas últimas duas décadas, os avanços em plataformas fotônicas integradas permitiram uma não linearidade de Kerr significativamente aprimorada que não pode ser alcançada em fibras de sílica, mas não alcançou amplificadores operados por ondas contínuas.

"Operar no regime de onda contínua não é uma mera 'conquista acadêmica'", diz o professor Tobias Kippenberg, chefe do Laboratório de Fotônica e Medições Quânticas da EPFL na EPFL. "Na verdade, é crucial para a operação prática de qualquer amplificador, pois implica que quaisquer sinais de entrada podem ser amplificados - por exemplo, informações codificadas opticamente, sinais de LiDAR, sensores, etc. a amplificação de onda é fundamental para a implementação bem-sucedida de tecnologias de amplificadores em sistemas de comunicação óptica modernos e aplicações emergentes para detecção e alcance óptico."