硅光微芯片高功率放大器：体积仅为毫米级！

2025-02-18 16:42

DESY的研究团队成功研发了一种基于硅光学微芯片的高功率放大器，其体积仅为毫米级，但输出功率超过1瓦特，远超以往同类微型设备的水平。

这一突破使得集成光子学领域能够采用片上高功率放大器，减少对外部放大器的依赖，从而显著简化了微型设备和传感器的操作流程，降低了成本。

这些设备广泛应用于医疗手术、激光遥感、电信以及未来加速器系统和X射线源的光学电路中。相关研究成果已发表在《Nature Photonics》期刊上。

高功率放大器是现代光学系统的核心组件。研究第一作者Neetesh Singh指出，为了实现这些系统的广泛应用，它们必须体积小巧（毫米级），同时保持高功率输出，且能大规模生产以降低成本。

然而，微型化面临挑战：光学系统尺寸越小，其能量存储和功率输出能力越低。因此，以往微系统不得不依赖外部大型放大器。

Singh团队在新研究中首次采用了自研的“大模区（LMA）”波导技术，成功在极小空间内放大了光信号。关键在于波导电场的横截面积（即“模式”）的扩大。实验中，团队将氮化硅和铝氧化物制成的光子波导模式横截面积从1平方微米增至30平方微米，从而将输出功率从几十毫瓦提升至1瓦特以上。

这一成就得益于微芯片表面的精妙设计：4平方毫米的芯片上嵌入了狭窄的硅氮化物波导，波导外覆受控厚度的铝氧化物层。光信号在波导中传输时，先通过特意设计的收缩部分，迫使模式“离开”波导，横截面大幅增大，像云一样漂浮在铝氧化物层中，但仍与原始波导保持连接。铝氧化物层中填充的铥离子经外部激光激发至高能态，与信号光子在较大的LMA区域内相互作用，提取能量。

为进一步放大信号，研究人员多次让信号通过LMA区域。波导扩展部分将信号云重新吸引回狭窄波导，使其在芯片边缘转180度，再次通过LMA区域并收缩，以便吸收更多能量。

最终，该技术在最小空间内实现了信号的大幅增强，且信号质量保持不变。在许多系统中，外部放大器将不再必要，使系统更小、更便宜、更可靠。

汉堡大学物理学教授、超快激光与X射线物理学小组负责人Franz K?rtner强调，微型LMA高功率放大器将推动未来复杂光学电路的集成，类似微电子学的发展。这将使低成本、高可靠性的复杂光学系统成为可能，广泛应用于加速器、X射线源等领域。

本研究得到了欧洲创新委员会“Femtochip”项目和德国研究基金会PACE项目的资助，并与瑞士LIGENTEC公司及荷兰特温特大学MESA+研究所合作完成。