隨著數(shù)據(jù)流量的快速增長(zhǎng)，通信系統(tǒng)的容量正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在《自然》雜志發(fā)表的《利用非線性集成波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超寬帶光放大》一文中，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)展示了一款新型放大器，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)現(xiàn)有光纖系統(tǒng)的十倍。

這種可集成于小型芯片的放大器，在醫(yī)療診斷與治療等關(guān)鍵激光系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

人工智能技術(shù)的進(jìn)步、流媒體服務(wù)的普及以及智能設(shè)備的激增，推動(dòng)全球數(shù)據(jù)流量預(yù)計(jì)在2030年前翻倍。這一趨勢(shì)對(duì)海量信息處理能力提出了更高要求。

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)、電信等數(shù)據(jù)密集型服務(wù)普遍采用光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)激光脈沖在玻璃光纖中高速傳輸信息，但信號(hào)質(zhì)量易受噪聲干擾。光學(xué)放大器在此扮演關(guān)鍵角色，其帶寬（可處理的光波長(zhǎng)范圍）直接決定系統(tǒng)傳輸能力。

研究負(fù)責(zé)人、查爾姆斯理工大學(xué)光子學(xué)教授Peter Andrekson解釋道："現(xiàn)有光通信放大器的帶寬約為30納米，而我們的新型放大器帶寬達(dá)到300納米，每秒可傳輸數(shù)據(jù)量提升十倍。"

圖片:搜狗截圖20250410171734.png

尺寸僅為幾厘米，但每秒可處理的數(shù)據(jù)量是當(dāng)前光通信系統(tǒng)的 10 倍。

微型化、高靈敏、強(qiáng)性能

這款基于氮化硅材料的新型放大器，采用螺旋狀互連波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)光信號(hào)高效傳導(dǎo)的同時(shí)將損耗降至最低。材料與幾何結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化帶來(lái)了多重技術(shù)突破。

Andrekson指出："核心創(chuàng)新在于帶寬拓展與降噪性能的雙重突破。它不僅帶寬提升十倍，降噪效果更優(yōu)于現(xiàn)有各類放大器，甚至能放大太空通信等極端場(chǎng)景中的微弱信號(hào)。"

研究團(tuán)隊(duì)成功將系統(tǒng)微型化至數(shù)厘米見方的芯片。Andrekson補(bǔ)充道："雖然芯片級(jí)放大器并非新概念，但實(shí)現(xiàn)如此大的帶寬尚屬首次。"

助力疾病早期診斷

通過(guò)多放大器芯片集成，該系統(tǒng)具備靈活擴(kuò)展性。鑒于光學(xué)放大器是所有激光器的核心組件，該設(shè)計(jì)可推動(dòng)開發(fā)具備寬譜快速調(diào)諧能力的激光系統(tǒng)，開啟多領(lǐng)域應(yīng)用前景。

Andrekson展望道："通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整，該放大器還能放大可見光與紅外光。這意味著醫(yī)療診斷、分析和治療激光系統(tǒng)將迎來(lái)革新。寬譜特性支持更精準(zhǔn)的組織器官分析與成像，為疾病早期檢測(cè)創(chuàng)造條件。"

除應(yīng)用前景廣闊外，該技術(shù)還可顯著縮小激光系統(tǒng)體積并降低成本。

Andrekson 解釋道："這種可擴(kuò)展方案使激光器能在多波長(zhǎng)工作，同時(shí)具備高性價(jià)比、緊湊結(jié)構(gòu)和節(jié)能優(yōu)勢(shì)。單一系統(tǒng)即可滿足醫(yī)學(xué)研究、影像學(xué)、全息術(shù)、光譜分析、顯微成像以及材料表征等跨領(lǐng)域需求。"

更多應(yīng)用潛力探索

實(shí)驗(yàn)顯示，該放大器在1400-1700納米通信波段表現(xiàn)優(yōu)異。憑借300納米的超寬帶寬，其應(yīng)用可延伸至其他光譜范圍。

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)調(diào)整后，可見光（400-700納米）和紅外光（2000-4000納米）信號(hào)的放大也成為可能。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該技術(shù)在疾病診療、內(nèi)窺成像、外科手術(shù)等依賴特定波長(zhǎng)的領(lǐng)域?qū)⒋蠓女惒省?/p>

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