Las redes de comunicación modernas dependen de señales ópticas para transferir grandes cantidades de datos. Pero al igual que una señal de radio débil, estas señales ópticas deben amplificarse para viajar largas distancias sin perder información. Los amplificadores más comunes, los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA), han cumplido este propósito durante décadas, permitiendo distancias de transmisión más largas sin necesidad de regeneración frecuente de la señal. Sin embargo, operan dentro de un ancho de banda espectral limitado, lo que restringe la expansión de las redes ópticas.
Para satisfacer la creciente demanda de transmisión de datos de alta velocidad, los investigadores han estado buscando formas de desarrollar amplificadores más potentes, flexibles y compactos. Aunque los aceleradores de IA, los centros de datos y los sistemas informáticos de alto rendimiento manejan cantidades cada vez mayores de datos, las limitaciones de los amplificadores ópticos existentes son cada vez más evidentes.
La necesidad de amplificación de banda ultraancha (amplificadores que funcionan en una gama más amplia de longitudes de onda) es más acuciante que nunca. Las soluciones existentes, como los amplificadores Raman, ofrecen algunas mejoras, pero siguen siendo demasiado complejos y consumen mucha energía.
Ahora, investigadores dirigidos por Tobias Kippenberg en la EPFL y Paul Seidler en IBM Research Europe - Zurich han desarrollado un amplificador paramétrico de onda viajera (TWPA) basado en chips fotónicos que logra una amplificación de señal de banda ultraancha en una forma compacta sin precedentes. Mediante el uso de la tecnología de fosfuro de galio sobre dióxido de silicio, el nuevo amplificador alcanza una ganancia neta de más de 10 dB en un ancho de banda de aproximadamente 140 nm, tres veces más ancho que un EDFA de banda C convencional.
La mayoría de los amplificadores se basan en elementos de tierras raras para reforzar las señales. En cambio, el nuevo amplificador utiliza la no linealidad óptica, una propiedad por la cual la luz interactúa con un material para amplificarse a sí misma. Mediante el diseño cuidadoso de una pequeña guía de ondas en espiral, los investigadores crearon un espacio en el que las ondas de luz se refuerzan entre sí, potenciando las señales débiles y manteniendo el ruido bajo. Este método no solo hace que el amplificador sea más eficiente, sino que también le permite funcionar en una gama mucho más amplia de longitudes de onda, todo ello dentro de un dispositivo compacto del tamaño de un chip.
El equipo eligió el fosfuro de galio por sus excepcionales propiedades ópticas. En primer lugar, presenta una fuerte no linealidad óptica, lo que significa que las ondas de luz que lo atraviesan pueden interactuar de forma que aumentan la intensidad de la señal. En segundo lugar, tiene un alto índice de refracción, lo que permite que la luz quede confinada dentro de la guía de ondas, lo que conduce a una amplificación más eficiente. Mediante el uso de fosfuro de galio, los científicos lograron una alta ganancia con una guía de ondas de tan solo unos centímetros de largo, lo que redujo significativamente el tamaño del amplificador y lo hizo práctico para los sistemas de comunicación óptica de próxima generación.
Los investigadores demostraron que su amplificador basado en chips podía alcanzar hasta 35 dB de ganancia manteniendo el ruido bajo. Además, se podían amplificar señales notablemente débiles, con el amplificador manejando potencias de entrada que oscilaban en más de seis órdenes de magnitud. Estas características hacen que el nuevo amplificador sea altamente adaptable a una variedad de aplicaciones más allá de las telecomunicaciones, como la detección de precisión
El amplificador también mejoró el rendimiento de los peines de frecuencia óptica y las señales de comunicación coherentes, dos tecnologías clave en las redes ópticas modernas y la fotónica, lo que demuestra que estos circuitos integrados fotónicos pueden superar a los sistemas de amplificación tradicionales basados en fibra.
El nuevo amplificador tiene implicaciones de gran alcance para el futuro de los centros de datos, los procesadores de IA y los sistemas informáticos de alto rendimiento, que pueden beneficiarse de una transferencia de datos más rápida y eficiente. Y las aplicaciones se extienden más allá de la transmisión de datos, a la detección óptica, la metrología e incluso a los sistemas LiDAR utilizados en vehículos autónomos.
Otros colaboradores
Centro de Ciencia e Ingeniería Cuántica de la EPFL
IBM Research Europe - Zurich
Financiación
Programa de investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea (MICROCOMB)
Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF)
Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas
Referencias
Kuznetsov, N., Nardi, A., Riemensberger, J., Davydova, A., Churaev, M., Seidler, P., Kippenberg, T. J. Un amplificador paramétrico de onda viajera basado en un chip fotónico de banda ultraancha. Nature 12 de marzo de 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08666-z
Autor: Nik Papageorgiou
Fuente: EPFL
