光子芯片放大器传输数据带宽提升3倍

瑞士洛桑联邦理工学院与IBM欧洲研究院联合研发团队在新一期《自然》杂志发表论文称，他们研制出一款基于光子芯片的行波参量放大器，通过紧凑结构实现了超带宽信号放大。

现代通信网络依靠光信号传输海量数据。然而，这些光信号需要经过放大，才能在长距离传输中不丢失信息。数十年来，掺铒光纤放大器作为最常用的工具，在这方面发挥着关键作用。它无需频繁重新生成信号，就能将信号传输至更远的地点。然而，掺铒光纤放大器的工作带宽仅限于C波段（约35纳米），这限制了光网络的扩展能力。

磷化镓光子芯片的聚焦堆叠宏观照片。该芯片具有多个螺旋波导和其他测试结构，宽度仅0.55厘米，可以实现S、C和L光通信波段的高效光学参量放大和频率转换。

新研制的这款放大器采用了将磷化镓沉积在二氧化硅上的技术。磷化镓是一种具有优异光学特性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。大多数放大器依赖稀土元素来增强信号，而研究团队选择磷化镓是因为其出色的光学特性。首先，它表现出强烈的光学非线性，使通过其中的光波能以增强信号强度的方式相互作用。其次，它的折射率高，可将光紧密限制在波导内，显著提高放大效率。基于这些特性，研究团队仅使用几厘米长的波导就实现了高增益，使放大器的体积大幅缩小，且所有功能都集成在一个紧凑的芯片级设备中。

实验结果表明，这款芯片级放大器在约140纳米的带宽范围内实现了超过10分贝的净增益，是传统掺铒光纤放大器带宽的3倍。此外，该器件在保持较低噪声的同时，增益可达35分贝，并能处理输入功率范围跨越6个数量级的信号。这些特性使该放大器在电信之外的各种应用中具有高度适应性，例如精密传感。

此外，这款放大器还提升了光学频率梳和相干通信信号的性能，这两项技术是现代光网络和光子学的关键技术。

新型放大器对数据中心、人工智能处理器和高性能计算系统具有深远影响，更快、更高效的数据传输使这些系统都能获益。此外，它的应用范围还扩展到数据传输之外，包括光学传感、计量学，甚至自动驾驶汽车中使用的激光雷达系统。