20 世纪 80 年代，科学家发明掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier），并逐渐发展成光纤通信技术中光信号放大的首选技术。
EDFA 是奠定现代高速光通信网络的关键技术之一，其通过提供低噪声、宽带多波长的光信号放大能力，能够每隔 80 至 100 公里将光信号放大，补偿信号传输损耗，实现信号再生。
该技术让长距离光通信网络成为可能，并支撑了全球互联网、云服务等基础设施。如今，也已成为光纤激光器、激光陀螺仪、激光加工、激光手术、激光雷达等系统种的最重要一环。华中科技大学刘阳教授在海外工作期间，致力于研究基于稀土元素掺杂的集成光子芯片的器件开发、基础和应用，特别是集成的高功率波导光放大器和低噪声激光器。
近年来，他与合作者将传统的台式光纤光源集成到光芯片上，实现微型芯片化。同时，在应用中探索了新型、高精度的微波光子信号处理、高速光通信和光子雷达探测系统。
分别实现了芯片级的高功率硅基集成掺铒光纤放大器和低噪声激光器，关键参数达到了商用光纤光源的性能，在尺寸、重量和工作波长范围等方面实现了超越。凭借研发世界首个百毫瓦级别高功率硅基集成掺铒放大器，实现低噪声掺铒激光器芯片和基于声光效应的微波光子处理系统，刘阳成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
相关技术有望为一系列应用提供关键基础，例如小型化光子辅助雷达、下一代光通信收发机、星载激光通讯、超大规模片上光计算网络、激光测距和量子光学等。
集成掺铒放大器：关键参数同时达到商用光纤放大器水平
EDFA 的市场需求和技术的现实发展之间，存在着显著的鸿沟。
一方面，市场对高性能集成光芯片的需求日益增多。集成光芯片由于可降低光系统的体积、功耗和制造成本，有望实现高密度部署，进而在未来光通信、海底光缆、大规模数据中心、车载激光雷达等场景应用。
另一方面，30 多年以来，EDFA 的生产仍然依赖于单个器件的手工盘纤、制造和组装，无法实现大规模生产和器件的微型化。
有研究人员利用与掺铒光纤制备相似的原理，在集成光子芯片中实现铒离子掺杂，虽然可以提供光增益，但其性能远远低于实用水平。低噪声、高功率、大带宽的硅基集成光放大器仍是一项技术的空白。2022 年，刘阳在 Science 报道了掺铒集成光器件的重要成果，实现了世界首个高功率光子集成电路铒波导放大器（EDWA，Er-Doped Waveguide Amplifier）。
并且，创下输出功率超过 145mW 的记录，相较于之前报道的器件提升了 2 个数量级 [1]。
值得关注的是，新型的 EDWA 在输出功率、增益、噪声系数上，同时接近商用 EDFA 的性能。
具体表现为：
145mW 的输出功率、30dB 光增益、片上泵功率转换效率为 60%，并且同时显著降低了器件尺寸。
该研究首次缩小了 EDWA 和 EDFA 之间的性能差距，填补了硅基光子芯片低噪声、高功率、大带宽光放大器的技术空白。
图丨基于铒离子注入的氮化硅集成波导光放大器（来源：瑞士洛桑联邦理工学院）
刘阳表示：“我们通过充分利用铒掺杂材料的独特性质，将其无缝集成到光子芯片中，可以在紧凑、高效、可扩展的方式下，实现更高的数据传输速度、更高的信号质量。”
该技术的突破使得传统掺铒光纤放大器、激光器的微型化、阵列化成为可能，可以提高稳定性、降低功耗，为实现晶圆级大规模量产奠定了坚实的技术基础，并为全集成的下一代硅基有源光子芯片带来希望。
图丨集成掺铒放大器在微波光子信号产生和相干光通信的应用演示（来源：Science）
工业应用推进方面，刘阳及团队和美国诺基亚贝尔实验室合作，将 EDWA 在先进的高速相干光通信系统中应用，首次实现了 16×1.6Tb/s 的相干传输，显示出该研究在高速光通信领域的巨大应用潜力。
相关论文在 2023 年的光纤通信大会（OFC，Optical Fiber Communication Conference）上，被接受为 Post Deadline 论文（仅被视为“突破性研究”的工作可以在截稿日期后被接受）。
该技术在电信、数据中心、微型化激光光源和量子计算等多领域具有应用潜力。据介绍，目前许多国际知名工业公司迫切希望将该技术整合到相关产品中。
以放大器芯片为核心，实现超低噪声集成可调激光器
更进一步地，刘阳与团队实现了一种超低噪声的集成可调激光器。该激光器的噪声性能已经与商用光纤激光器相当，并超越了光纤激光器的波长调谐性能。
也就是说，它同时具有光纤激光器的高相干性和半导体激光器的紧凑型。
“为降低损耗带来的影响，我们采用了一种创新的方式对集成光波导进行掺饵注入。简单来理解，类似于用霰弹枪打在泡沫墙后，其会呈现嵌入状态。”刘阳说。
基于这种新方式，研究人员意外地发现，掺饵注入后的性能优于此前的方案。
具体来说，其固有线宽为 50Hz，输出功率超过 10mW，相较于半导体激光器，超低噪声激光器线宽更低，可降低 2-3 个数量级的噪声水平。
并且，其具有通信波长可调性、更低噪声和温度稳定性更强等优势，为下一代高速相干光通信技术提供超窄线宽集成光源基础。
图丨基于铒离子注入的集成波导激光器（来源：洛桑联邦理工学院）
该技术在光纤传感、科学研究和卫星等领域具有应用场景。
光纤传感方面，可用于类似雷达的探测功能，并且在精度和距离方面更具优势。
此外，超低噪声的集成可调激光器还可在对质量尺寸比较敏感的领域应用。例如，在卫星、星载、机载场景下，实现激光雷达测距、微波光学等。
日前，相关论文以《完全混合集成的铒激光器》（A fully hybrid integrated erbium-based laser）为题发表在 Nature Photonics[2]。
图丨相关论文（来源：Nature Photonics）
需要了解的是，超低噪声激光器还有一些技术提升空间。例如，掺饵注入的方法会带来损伤，需要用高温技术修复，而温度过高可能与现有的商业硅光产品工艺不兼容。
另一方面，虽然温度稳定性高，但其尺寸比半导体激光器大，混合集成封装尚有一定对工程问题，后续是否能进一步降低成本，取决于该技术未来的工程化进度。
下一步，研究人员在该研究基础上，探索性能更佳的激光器。例如，通过阵列化做到更高的集成度, 扩展激光器的波长可调范围，提高低频区的稳定性。
“未来，我们希望将这种激光器打造成完整的平台，从放大器、连续激光器到超短脉冲激光器。”刘阳说。
做一名“懂物理的工程师”
刘阳的家庭成员多数从事教育事业，受家庭氛围影响，他总是能够静下心来，专注地学习和从事研究工作。
本科和硕士阶段他毕业于华中科技大学的光电子科学与工程学院和光电子科学与工程学院，师从张新亮教授。
然后，在澳大利亚悉尼大学本杰明·J·艾格尔顿（Benjamin J. Eggleton）院士课题组攻读博士和从事博士后研究，主要研究方向为声光非线性集成光子学和微波。
2020 至 2023 年，刘阳作为欧盟玛丽居里学者，在瑞士洛桑联邦理工学院托拜厄斯·基彭贝格（Tobias Kippenberg）教授领导的光子与量子测量实验室，从事掺铒集成光器件方向的研究。
2023 至 2024 年，主持瑞士自然科学基金委 PoC 概念验证项目，致力于掺铒集成光子器件的研究和成果转化。
图丨刘阳与当时所在课题组合影（来源：洛桑联邦理工学院）
在研究生时期，他开始认识到传统光放大技术难以在集成光子芯片上实现。
在博士生学习和博士后工作期间，刘阳分别利用声子-光子非线性效应和稀土元素掺杂的两种技术路线，在集成光子芯片上实现了高增益、高功率的光信号放大 [3-4]。
图丨A、基于声光非线性的片上光放大器、滤波器；B、不同光学间的声光非线性作用，以及硅基-硫化物混合集成光子芯片；C、基于声光效应的超宽带微波光子雷达，以及无人机的实验探测成像结果（来源：Optica、APL Photonics; Advances in Optics and Photonics、Laser& Photonics Reviews、Nature Communications、Laser& Photonics Reviews、Nature Photonics）
在微波光子学研究方向，他主导开发的微波光子系统，截至目前仍然保持着射频链路噪声系数最低的纪录。
刘阳展示了混合光子集成电路技术，以利用声光非线性相互作用布里渊效应的光放大器，以及在微波光子系统 [5-8] 和光子辅助雷达中的应用 [9-10]。
提出并开发了一种创新的光子雷达，即超宽带光子辅助雷达系统，达到亚厘米级分辨率 [9]。
从根本上克服了电子带宽的限制，实现了无人机测距和成像，允许雷达和激光雷达的同时测量，实现非接触式生命体征信号的多目标检测 [10]。
2024 年，他回国加入华中科技大学，担任教授，并着手建立实验室，隶属于武汉光电国家研究中心的智能光子学创新团队。
刘阳坦言，现在回头来看，在华中科技大学本科和硕士阶段的学习给他打下了非常扎实科研基础。
“研究生阶段导师和课题组良好氛围的熏陶，使我能有良好的心态沉着地做科研工作；在海外学习和工作后再回到母校任职，让我有一种非常强烈的归属感。”他说。
展望未来，刘阳的愿景是基于低噪声掺铒集成光源技术，进行创新并推动技术的产业落地，与其他集成光子技术相结合，以实现更复杂、更高性能的集成光系统。
它的应用有望扩展到更多的新兴领域，如空间激光通信、超大规模光计算芯片、激光雷达、生物光子学等，为推动信息和通信技术的进步做出实质性贡献。
刘阳认为，下一个技术爆发点可能会在面对大规模数据中心和高算力光计算的阵列集成光源。
因此，他也将探索新颖的材料、先进的设计技术和高兼容性的制造方法，以实现更高的效率和可扩展性。
参考资料：1.Y. Liu, Z. Qiu, X. Ji, J. He, A. Lukashchuk, J. Riemensberger, M. Hafermann, R. Wang, J. Liu, C. Ronning, and T. J. Kippenberg*, A photonic integrated circuit based erbium-doped amplifier. Science, 17(2022). 2.Y. Liu*, Z. Qiu, X. Ji, A. Bancora, G. Lihachev, J. Riemensberger, R. Wang, A. Voloshin and T. J. Kippenberg*. A fully hybrid integrated erbium-based laser. Nature Photonics (2024). 3.Y. Liu, D. Marpaung, A. Choudhary, and B. J. Eggleton, Lossless and high-resolution RF photonic notch filter,Optics Letters 41, 5306 (2016). 4.Y. Liu*, A. Choudhary, D. Marpaung, and B. J. Eggleton,Integrated Microwave Photonic Filters,Advances in Optics and Photonics, 12, 2, 485-555 (2020). 5.Y. Liu, A. Choudhary, G Ren, K Vu, B Morrison, A Casas-Bedoya, T. G. Nguyen, 5. D. Y. Choi, A Mitchell, S.J. Madden, D Marpaung, and B. J. Eggleton,Integration of Brillouin and passive circuits for enhanced radio-frequency photonic filtering, APL Photonics 4, 10, 106103 (2019).6. Y. Liu*, et al., and B. J. Eggleton,Circulator-Free Brillouin Photonic Planar Circuit, Laser & Photonics Reviews,15, 5, 2000481(2021). 7. Y. Liu*, A. Choudhary, D. Marpaung, and B. J. Eggleton,Gigahertz optical tuning of an on-chip radiofrequency photonic delay line, Optica , 418 (2017).8. M. Garrett, Y Liu, M. Merklein, C. T. Bui, C. K. Lai, D. Choi, S. J Madden, A. Casas-Bedoya, B. J Eggleton,Integrated microwave photonic notch filter using a heterogeneously integrated Brillouin and active-silicon photonic circuit, Nature Communications, 14, 11, 7544 (2023).9.Y. Liu*,Z. Zhang, M. Burla and B. J. Eggleton. 11-GHz-Bandwidth Photonic Radar using MHz Electronics. Laser & Photonics Reviews(2022) . 10.Z. Zhang, Y. Liu*, T. Stephens, B. Eggleton*. Photonic radar for contactless vital sign detection. Nature Photonics (2023).
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