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現代通訊網路依靠光訊號傳輸大量資料。但就像微弱的無線電訊號一樣，這些光訊號需要放大才能長距離傳輸而不丟失資訊。
最常見的放大器是摻鉺光纖放大器 (EDFA)，幾十年來一直用於此目的，它能夠實現更長的傳輸距離，而無需頻繁進行訊號再生。然而，它們在有限的光譜頻寬內執行，限制了光網路的擴充套件。
為了滿足日益增長的高速資料傳輸需求，研究人員一直在尋求開發更強大、更靈活、更緊湊的放大器的方法。儘管人工智慧加速器、資料中心和高效能計算系統處理的資料量不斷增加，但現有光放大器的侷限性也變得越來越明顯。
對超寬頻放大（可在更寬波長範圍內工作的放大器）的需求比以往任何時候都更加迫切。現有的解決方案（例如拉曼放大器）提供了一些改進，但它們仍然過於複雜且耗能。
現在，由洛桑聯邦理工學院的 Tobias Kippenberg 和 IBM 歐洲蘇黎世研究中心的 Paul Seidler 領導的研究人員開發出了一種基於光子晶片的行波參量放大器 (TWPA)，可以以前所未有的緊湊形式實現超寬頻訊號放大。
該項研究成果已發表於《自然》雜誌。
新型放大器採用二氧化矽上磷化鎵技術，在約 140 nm 的頻寬內實現了超過 10 dB 的淨增益，頻寬是傳統 C 波段 EDFA 的三倍。
大多數放大器依靠稀土元素來增強訊號。而新放大器則利用光學非線性——光與材料相互作用以放大自身的特性。
透過精心設計微型螺旋波導，研究人員創造了一個光波相互增強的空間，增強了弱訊號，同時保持了較低的噪聲。這種方法不僅提高了放大器的效率，還使其能夠在更廣泛的波長範圍內工作，所有這些都在一個緊湊的晶片大小的裝置中完成。
研究團隊之所以選擇磷化鎵，是因為其具有出色的光學特性。首先，它表現出很強的光學非線性，這意味著穿過它的光波可以相互作用，從而增強訊號強度。
其次，它具有高折射率，這使得光能夠被緊密地限制在波導內，從而實現更有效的放大。
透過使用磷化鎵，科學家以僅幾釐米長的波導實現了高增益，大大減少了放大器的佔用空間，使其可用於下一代光通訊系統。
研究人員證明，他們的晶片放大器可以實現高達 35 dB 的增益，同時保持較低的噪聲。此外，放大器可以放大非常弱的訊號，處理輸入功率範圍超過六個數量級。這些特性使新放大器能夠高度適應電信以外的各種應用，例如精密感測。
該放大器還增強了光頻率梳和相干通訊訊號（現代光網路和光子學中的兩項關鍵技術）的效能，表明這種光子積體電路可以超越傳統的基於光纖的放大系統。
這款新型放大器對資料中心、AI 處理器和高效能計算系統的未來有著深遠的影響，所有這些都可以從更快、更高效的資料傳輸中受益。其應用範圍不僅限於資料傳輸，還包括光學感測、計量，甚至是自動駕駛汽車中使用的 LiDAR 系統。
參考連結
https://techxplore.com/news/2025-03-ultra-broadband-photonic-chip-boosts.html
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