现代通信网络依靠光信号传输大量数据。但与微弱的无线电信号一样，这些光信号必须经过放大才能远距离传输而不丢失信息。最常用的放大器——掺铒光纤放大器（EDFA）——几十年来一直用于此目的，无需频繁的信号再生即可实现更远距离的传输。然而，它们的频谱带宽有限，这限制了光网络的扩展。.
为了满足日益增长的高速数据传输需求，研究人员一直在探索开发更强大、更灵活、更紧凑的光放大器的方法。随着人工智能加速器、数据中心和高性能计算系统处理的数据量不断增长，现有光放大器的局限性也日益凸显。.
对超宽带放大（即在更宽波长范围内工作的放大器）的需求比以往任何时候都更加迫切。现有的解决方案，例如拉曼放大器，虽然有所改进，但仍然过于复杂且功耗过高。.
由瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的 Tobias Kippenberg 和 IBM 欧洲研究院苏黎世分部的 Paul Seidler 领导的研究团队，开发出一种基于光子芯片的行波参量放大器 (TWPA)，实现了前所未有的超宽带信号放大，且体积极其紧凑。该新型放大器采用磷化镓/二氧化硅 (PG/SiO₂) 技术，在约 140 nm 的带宽内实现了超过 10 dB 的净增益，带宽是传统 C 波段掺铒光纤放大器 (EDFA) 的三倍。.
大多数放大器依靠稀土元素来增强信号。相比之下，这种新型放大器利用了光学非线性——光与材料相互作用从而增强自身信号的特性。研究人员精心设计了一种小型螺旋波导，创造了一个光波相互增强的空间，从而在保持低噪声的同时增强微弱信号。这种方法不仅提高了放大器的效率，还使其能够在更宽的波长范围内工作，所有这些都集成在一个紧凑的芯片大小的器件中。.
研究团队选择磷化镓是因为其卓越的光学特性。首先，它具有很强的光学非线性，这意味着穿过它的光波可以发生相互作用，从而放大信号。其次，它具有高折射率，这使得光能够被限制在波导内，从而实现更高效的放大。通过使用磷化镓，科学家们仅用几厘米长的波导就实现了高增益，显著缩小了放大器的尺寸，使其适用于下一代光通信系统。.
研究人员证明，他们研发的芯片放大器能够在保持低噪声的同时，实现高达 35 dB 的增益。此外，它还能放大极其微弱的信号，其输入功率的处理范围超过六个数量级。这些特性使得这款新型放大器能够广泛应用于电信以外的各种领域，例如精密传感。
该放大器还提高了光频梳和相干通信信号的性能，这是现代光网络和光子学中的两项关键技术，这表明这些光子集成电路的性能可以优于传统的基于光纤的放大系统。.
这种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的未来具有深远的影响，它们将受益于更快、更高效的数据传输。其应用范围不仅限于数据传输，还包括光学传感、计量，甚至自动驾驶汽车中使用的激光雷达系统。.
其他贡献者
洛桑联邦理工学院量子科学与工程中心
IBM 欧洲研究院 - 苏黎世
欧盟地平线 2020 研究计划
资助(MICROCOMB)
瑞士国家科学基金会（SNSF）
美国空军科学研究办公室
参考文献
：Kuznetsov, N., Nardi, A., Riemensberger, J., Davydova, A., Churaev, M., Seidler, P., Kippenberg, TJ. 基于超宽带光子芯片的行波参量放大器。《自然》2025年3月12日。DOI：10.1038/s41586-025-08666-z
作者：Nik Papageorgiou
来源：EPFL
