更智能、更快速、更高效的信號增強

一項新型光放大器正在顛覆傳統(tǒng)技術(shù)格局。與依賴稀土元素的傳統(tǒng)放大器不同，這種基于芯片的突破性創(chuàng)新利用光學(xué)非線性效應(yīng)，實現(xiàn)了信號的自增強能力。其結(jié)果是打造出了一款緊湊型高性能設(shè)備，其帶寬可達傳統(tǒng)解決方案的三倍。

突破光放大的極限

現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)依靠光信號傳輸海量數(shù)據(jù)。然而，與無線電信號類似，這些光信號在長距離傳輸時需要進行放大以避免衰減。三十余年來，摻鉺光纖放大器（EDFA）始終是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決方案，可在無需頻繁信號再生的條件下擴展傳輸距離。盡管性能優(yōu)異，EDFA的工作光譜范圍存在固有局限，制約了光網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)展。

在人工智能加速器、數(shù)據(jù)中心和高性能計算驅(qū)動的海量數(shù)據(jù)傳輸需求下，現(xiàn)有光放大器的局限性日益凸顯。研究人員正致力于開發(fā)更強大、更靈活、更緊湊的新型放大器，以滿足日益增長的數(shù)據(jù)需求。

對超寬帶放大技術(shù)的需求——即能在更廣波長范圍內(nèi)實現(xiàn)信號增強——已變得空前迫切。雖然拉曼放大器等替代方案有所改進，但其復(fù)雜結(jié)構(gòu)和能耗問題仍未解決，這突顯出開發(fā)更高效解決方案的緊迫性。

圖片:Fabricated-Gallium-Phosphide-Photonic-Chip-1200x803.jpg

制備完成的磷化鎵光子芯片

芯片級光放大技術(shù)的突破

近日，由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Tobias Kippenberg和IBM歐洲蘇黎世研究院Paul Seidler領(lǐng)銜的研究團隊，成功研發(fā)出基于光子芯片的行波參量放大器（TWPA）。該器件采用磷化鎵-二氧化硅技術(shù)，在約140 nm帶寬內(nèi)實現(xiàn)超過10 dB的凈增益，其帶寬是傳統(tǒng)C波段EDFA的三倍，同時具備前所未有的緊湊形態(tài)。

傳統(tǒng)放大器多依賴稀土元素增強信號，而這款新型放大器創(chuàng)新性地利用光學(xué)非線性效應(yīng)——即光與材料相互作用實現(xiàn)自增強的特性。通過精心設(shè)計的微型螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，研究人員構(gòu)建了一個光波相互增強的微空間，在保持低噪聲水平的同時有效放大微弱信號。這種方法不僅顯著提升能效，更使設(shè)備能在更廣波長范圍內(nèi)工作，所有功能均集成于芯片級尺寸的器件之中。

磷化鎵的卓越性能

研究團隊選擇磷化鎵材料主要基于其兩大優(yōu)異光學(xué)特性：首先，該材料具有強光學(xué)非線性效應(yīng)，能夠通過光波相互作用有效提升信號強度；其次，其高折射率特性可將光場緊密限制在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而實現(xiàn)更高效的放大過程。

借助磷化鎵材料，研究人員僅用數(shù)厘米長的波導(dǎo)便實現(xiàn)了高增益，大幅縮小了放大器的物理尺寸，使其完美適配新一代光通信系統(tǒng)的集成需求。

卓越性能與多場景適應(yīng)性

實驗數(shù)據(jù)顯示，這款芯片級放大器可實現(xiàn)高達35 dB的增益，同時保持極低噪聲水平。更令人矚目的是，其可處理橫跨六個數(shù)量級的輸入功率，即便極其微弱的信號也能有效放大。這些特性使其不僅適用于通信領(lǐng)域，在精密傳感等場景同樣展現(xiàn)出強大適應(yīng)能力。

該放大器還顯著提升了光學(xué)頻率梳和相干通信信號的性能——這兩項技術(shù)正是現(xiàn)代光網(wǎng)絡(luò)與光子學(xué)的核心支撐。實驗證明，此類光子集成電路的性能已超越傳統(tǒng)光纖放大系統(tǒng)。

光通信新紀(jì)元的多維影響

這款創(chuàng)新放大器將對數(shù)據(jù)中心、AI處理器和高性能計算系統(tǒng)產(chǎn)生深遠影響，為這些領(lǐng)域帶來更快速、更高效的數(shù)據(jù)傳輸體驗。其應(yīng)用版圖更延伸至數(shù)據(jù)傳輸之外的廣闊領(lǐng)域，包括光學(xué)傳感、計量科學(xué)，乃至自動駕駛車輛搭載的LiDAR系統(tǒng)，開啟光子技術(shù)賦能千行百業(yè)的新紀(jì)元。

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