光子集成芯片上的掺铒波导放大器。图片来源:EPFL光子学和量子测量实验室/尼尔斯·阿克曼

　　EPFL的科学家们成功地将稀土离子集成到集成光子电路中，构建了一个紧凑的波导放大器。与商业光纤放大器相比，该设备产生了创纪录的输出功率，这是集成光子技术在过去几十年的发展中首次。

　　掺铒光纤放大器(EDFAs)是在光纤中为光信号功率提供增益的器件，常用于远距离通信光缆和光纤激光器。EDFAs发明于20世纪80年代，可以说是最重要的发明之一，它深刻地影响了我们的信息社会，使信号能够穿越大西洋，取代电子中继器。

　　在光通信中，铒离子的有趣之处在于，它们可以放大1.55 mm波长区域的光，而这正是硅基光纤传输损耗最低的地方。当掺杂在诸如玻璃这样的主体材料内部时，铒和稀土离子独特的电子内-4-f壳层结构使其具有长寿命的激发态。这为多个信息携带通道同时放大提供了理想的增益介质，具有可忽略的串扰、高温稳定性和低噪声数字。

　　光学放大也被用于几乎所有的激光应用，从光纤传感和频率测量，到包括激光加工和激光雷达的工业应用。今天，基于稀土离子的光放大器已经成为光频率梳(2005年诺贝尔物理学奖)的主力，光频率梳被用来制造世界上最精确的原子钟。

　　在光子集成电路中利用稀土离子实现光放大，可以实现集成光子的转换。早在20世纪90年代，贝尔实验室就开始研究掺铒波导放大器(EDWAs)，但最终放弃了它们，因为它们的增益和输出功率无法与基于光纤的放大器相匹配，而它们的制造又不能与当代的光子集成制造技术相匹配。

　　即使随着集成光子学的近期兴起，对EDWAs的重新努力也只能实现不到1兆瓦的输出功率，这对于许多实际应用来说是不够的。这里的问题是高波导背景损耗，高协同上转换——高铒浓度下的增益限制因子，或者在紧凑的光子芯片中实现米级波导长度的长期挑战。

　　现在，在Tobias J. Kippenberg教授的带领下，EPFL的研究人员已经建立了一种基于氮化硅(Si3N4)光子集成电路的EDWA，长度可达半米，尺寸为毫米级，产生了超过145兆瓦的输出功率，并提供了超过30 dB的小信号净增益，在连续运行的通信波段中可转换为1000倍以上的放大。该性能可与商业高端EDFAs以及硅光子学中最先进的异质集成III-V半导体放大器相媲美。

　　?基彭堡实验室的研究员、该研究的首席科学家刘洋博士说:“我们通过将离子注入到超低损耗氮化硅集成光子电路中，克服了长期以来的挑战。离子注入是一种晶圆级的工艺，即使在非常高的离子浓度下，也能从非常低的协同上转换中受益。”

　　该研究的合著者、博士生邱哲如说:“这种方法允许我们在米级长度的紧凑波导中实现低损耗、高铒浓度和大模离子重叠因子，这在过去几十年里一直没有得到解决。”

　　?“高输出功率和高增益的操作不仅仅是学术成就;事实上，它对任何放大器的实际运行都是至关重要的，因为它意味着任何输入信号都可以达到足以长距离高速数据传输和限射噪声检测的功率水平;它也预示着使用这种方法，芯片上的高脉冲能量飞秒激光器最终将成为可能。”基彭伯格说。

　　这一突破标志着稀土离子作为集成光子学中可行的增益介质的复兴，因为EDWAs的应用几乎是无限的，从用于自动驾驶的光通信和激光雷达，到用于大型量子网络的量子传感和存储。它有望引发后续研究，覆盖更多的稀土离子，提供从可见光到中红外光谱部分的光学增益，甚至更高的输出功率。