无损的光： 重新审视硅光子平台的拉曼增益和放大作用

与泵浦激光器共同传播的信号允许信号保持其强度，甚至被放大（底部）与单独传播的信号相比（顶部）。资料来源：IEEE《量子电子学选题》杂志（2022）。DOI: 10.1109/JSTQE.2022.3195950

恒星发出的光在空旷的空间中传播时没有明显的衰减。视觉信号在被探测到之前基本上是无损的。经过许多年和数十亿公里，星光-光子最终可能遇到地球的大气层，并被一些幸运的人的视网膜和大脑解码为夜空中的一个斑点。

由泵浦激光器发出的光可能希望有同样的无损旅程，但可惜的是。对于计算和通信所必需的光学电路，光是通过波导发送的。在硅波导中，光线在几厘米后就会衰减。有了合适的玻璃纤维（非结晶石英硅，硅的一种氧化物），光子可以在衰减变得对信息解码来说太重要之前行驶数百公里。

那么，跨越9000公里的跨洋光纤通信之旅是如何进行的呢？答案是： 每隔十公里，就有一段光纤被装上铒，一种稀土元素，它的作用是提高旅行信号。(哦，还有很多光纤的保护层，因为鲨鱼咬电信/互联网电缆是臭名昭著的。具体原因尚不清楚）。

你会认为，那么我们就会在光子集成电路（PIC）上找到信号放大的答案。芯片相对较小，被鲨鱼袭击的机会也最小。唉，掺铒波导放大器不得不放弃，因为它们的增益和输出功率无法与其他放大器技术相比。更糟糕的是，它们的制造与当代光子集成制造技术不兼容。

因此，在过去的二十年里，通往PIC无损技术的路线仍然是一个学术研究课题，甚至在今天的芯片中使用 "足够好 "的技术来放大/提升信号，并且我们忍受它们需要大量的电力。

对于硅基PIC来说，非线性光物理特性已经显示出最大的前景。从本质上讲，非线性效应使人们能够通过光来操纵光。作为固有的特性，非线性行为的实现不需要特殊的材料加工。它可以在一个标准的波导中通过适当的刺激直接实现。

进入加拿大教授Shi和LaRochelle的合作工作，在IEEE量子电子学选题杂志上报告： "非互易性亚微米波导拉曼放大器，迈向无损耗的硅光子学"。该团队利用了一家生产PIC的代工厂提供的新制造产品。这家代工厂的能力使该团队能够在硅光子平台上重新审视拉曼增益和放大。

拉曼散射通常将光子能量从泵浦激光器转移到振动模式。它被寻找材料特定特征的光谱学家所熟知。这种能量转移可以提高与晶格振动模式发生共振的能量的信号强度。硅中的刺激拉曼发射成为一个强大的非线性效应，特别是当波导尺寸缩小时。

20-100毫瓦的泵浦激光的共同传播允许信号保持其强度，甚至被放大。使用相同的波导尺寸配置成一个光学谐振器，同一个团队展示了覆盖1550纳米左右的扩展波长范围的高效照明。

减轻光子电路中的损失的战斗有很多角度。像玻璃纤维工程一样，具有较低损耗的材料，如氮化硅，已经被开发出来，对于那些不能选择放大的应用，例如量子光子学，是至关重要的。混合材料的组合似乎是光调制和放大的可能途径。建议的解决方案应在一定程度上以其与既定制造方法的整合以及巧妙的修改为指导，如该团队能够利用的。

参考资料

Mohammad Ahmadi et al, Non-reciprocal sub-micron waveguide Raman amplifiers, towards loss-less silicon photonics, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (2022). DOI: 10.1109/JSTQE.2022.3195950