瓦级硅基光电子高功率光学放大器

逍遥设计自动化

引言
* ]' Y% k; _- x/ ^8 s* M$ S高功率光学放大器是现代光学系统中的基础组件，在远程光学传感到医疗手术等多个领域发挥着关键作用。传统的高功率放大器主要依赖于体积庞大的台式系统，但硅基光电子技术的最新突破为实现小型化提供了新的技术方案，同时保持了令人印象深刻的功率性能[1]。
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光学放大器的发展历程
在光学放大器集成化的发展过程中面临着诸多挑战。由于体积小限制了能量存储能力，传统集成器件在功率输出方面一直存在局限。在过去几十年中，大模场面积（LMA）技术通过支持更大的光学模式，实现了光纤放大器输出功率和能量的显著提升。
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图1展示了LMA放大器结构：(a) LMA波导横截面，(b) 1.85 μm信号模式剖面，(c) 放大器原理图显示泵浦和信号路径，(d) 掺铥氧化铝的简化能级图。
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3 a, z- j) K: e5 ~2 ~革新性设计方法
这项突破性成果采用硅基光电子LMA波导，在约4.4平方毫米的极小面积内实现了瓦级输出功率。设计采用有源层位于无源层之上的新颖结构，精确控制波导尺寸和材料特性。放大器结构通过复杂的层状设计集成了多个关键组件。底层是埋置在二氧化硅中的氮化硅层，上层是掺铥氧化铝增益介质。设计过程中严格控制层间氧化物厚度和波导尺寸，确保最佳的模式控制和功率处理能力。
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5 O4 P+ |7 W4 y# _) f图2展示了实验装置和结果：(a) 实验配置，(b) 输入和输出信号谱，(c) 片上输出功率测量，(d) 净增益特性。

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性能和功能
该器件实现的性能指标突破了集成光电子器件的传统限制。系统展示了超过1瓦的输出功率，净增益约为14.5分贝。转换效率达到63%至66%，凸显了设计的卓越效果。模场面积约为30平方微米，泵浦和信号模式重叠度超过98%，为集成放大器设立了新的性能标准。

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图3展示了在不同泵浦功率下输入信号功率与放大输出信号功率之间的关系，并标示出寄生激光区域。
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) S( [$ c% u. t, n先进表征和性能分析
对器件的详细表征显示了优异的稳定性和性能特征。由于采用单模波导设计，器件在各种工作条件下都表现出稳健的运行状态并保持高光束质量。对噪声特性和模式行为的全面分析提供了器件在不同条件下运行稳定性和可靠性的重要信息。

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6 G% v6 Y2 N. n. Y& [图4展示了全面的性能指标：(a) PL功率谱密度，(b) 模式剖面和增益差异，(c) 不同泵浦功率下的RIN测量，(d) 不同输入信号的RIN，(e) 噪声系数测量，(f) ASE谱。
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应用领域和未来展望
这项突破性技术的应用范围涵盖多个领域。在航天领域，该技术支持温室气体监测的先进立方体卫星激光雷达和深空光通信。医疗领域可利用其紧凑、高功率输出进行精确手术和治疗。科研领域可将其用于引力波探测和光学频率合成。在通信领域增强了远程光通信系统和高功率光网络的性能。

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7 f8 \* x% N8 z; T1 d* I7 r- _技术优势和创新
* w6 G" @0 d9 _- \该设计的成功源于其在模式管理方面的创新方法，支持基模传输的同时实现紧凑弯曲并保持高泵浦和信号模式重叠。制造过程采用CMOS兼容工艺，确保了可扩展的制造潜力和与现有硅基光电子的无缝集成。性能优化着重于降低热不稳定性，减少非线性效应，同时提高能量存储能力。
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3 T% _' D: j& ^9 J  v这项技术突破展示了紧凑型集成器件在高功率操作方面的可行性。在4.4平方毫米的面积内实现瓦级输出功率是具体的技术进步。这个成果为光电子集成技术的发展提供了新的参考方案，特别是在功率输出和器件微型化方面。基于目前的研究结果，后续工作可以着重于进一步优化器件性能、提高制造工艺稳定性，以及探索在实际应用场景中的具体实施方案。

8 G( z% R2 m; \( F1 O$ u参考文献
7 g' U: m' J9 {4 n5 ^" c( }; t[1] N. Singh et al., "Watt-class silicon photonics-based optical high-power amplifier," Nature Photonics, Jan. 2025, DOI: 10.1038/s41566-024-01587-9.
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