硅芯片上的光放大器

7/7/2006，康乃尔大学网站消息，该校的研究人员发明出基于硅芯片的光放大器，这是光子芯片研究领域一项重要技术突破。
康乃尔大学应用和工程物理教授Alexander Gaeta和电气和计算机工程助理教授Michal Lipson带领的团队利用康乃尔纳米级实验设备完成了这一实验，并发表在6月22日的自然杂志上。Gaeta教授指出他们能够领先开发出此类器件是因为Michal Lipson的团队在开发硅基光器件上有着丰富的经验。他们的经验配合康乃尔先进的实验设备是他们成功的关键。
康乃尔这一硅光放大器采用的机理是四波混频。所谓四波混频（FWM）是指在光波导中，两个不同波长同向传输的泵浦光信号相互混合会产生其他两种频率的信号。其中一个是信号波长，另外一个的波长是泵浦光波长之和减去信号光的波长。新产生的信号光叠加到原有的信号光上就产生了放大。
FWM效应为我们所熟知是在DWDM系统的设计中。DWDM系统中当信道间距相等时FWM产生的新信号将引起信道串扰，当色散接近零时FWM的影响最大。为减少FWM，DWDM系统中必须避免采用零色散波长接近WDM信号波长的光纤。FWM效应还被应用到光波长转换器和光纤放大器中。
相比受激拉曼散射以及受激布利渊散射，FWM需要的条件更加苛刻，通常对泵浦光的功率要求更高，还要求泵浦光的相位匹配，实现起来很不容易。因此转换效率可想而知。Gaeta教授团队的计算机模拟表明截面在300X600纳米大小左右的波导可以支持四波混频效应，超过太多或者小于太多都不行。他们实验所采用的波导结构截面为300X550纳米，比红外光的波长还要短。信号光和泵浦光都被限制在这一波导结构中，从而有利于FWM效应的发生。这一结构的优点还在于能够同时放大多路输入光信号。这一实验采用的信号光波长为1550nm，放大器频谱宽度从1512到1535nm。能够支持通信光波长，是康乃尔这一实验另一引人注目的地方。
该实验的报道还指出，Gaeta教授的团队还预测他们可以在硅芯片上实现光纤中其他非线性效应，诸如全光交叉，光信号再生甚至量子计算所需要的光源。
康乃尔大学这一试验成功的意义在于人类向着硅芯片上的光集成梦想又进了一步。不过我们也不能高兴太早。光桥科技余力博士今晨在和编辑一起分析这篇新闻稿的时候指出，光集成始终是光通信的趋势，但是对于康乃尔这次试验来说，最重要的我们要看这次试验的转换效率有多大。