科学家们开发了一种基于光子芯片的紧凑型光放大器，表现出远超传统光放大器的带宽和效率。这一突破可能会重塑数据中心互连、人工智能加速器和高性能计算。
现代通信网络依赖光信号来传输大量数据。但就像微弱的无线电信号一样，这些光信号需要被放大，以便在不丢失信息的情况下远距离传播。最常见的放大器，掺铒光纤放大器（EDFA），几十年来一直服务于这个目的，使得在无需频繁信号再生的情况下实现更长的传输距离。然而，它们的工作波段受限，限制了光网络的扩展。
为了满足高速数据传输日益增长的需求，研究人员一直在寻求开发更强大、更灵活和更紧凑的放大器。尽管人工智能加速器、数据中心和高性能计算系统处理的数据量不断增加，但现有光放大器的局限性变得越来越明显。
对超宽带放大的需求——在更广泛的波长范围内工作的放大器——比以往任何时候都更加迫切。现有的解决方案，如拉曼放大器，虽然提供了一些改进，但仍然过于复杂且能量消耗大。
现在，由EPFL的托比亚斯·基彭贝格（Tobias Kippenberg）和IBM研究欧洲-苏黎世的保罗·西德勒（Paul Seidler）领导的研究人员开发了一种基于光子芯片的行波参量放大器（TWPA），实现了前所未有的紧凑形式的超宽带信号放大。使用磷化镓-二氧化硅技术，新放大器在约140纳米的带宽内获得超过10 dB的净增益，是传统C波段EDFA的三倍宽。
大多数放大器依赖稀土元素来增强信号。相反，新放大器利用光非线性——光与材料相互作用以增强自身的特性。通过精心设计一个微小的螺旋波导，研究人员创建了一个空间，使光波相互加强，从而提升微弱信号，同时保持低噪声。这种方法不仅使放大器更高效，还使其能够在更广泛的波长范围内工作，全部体现在一个紧凑的芯片大小的设备中。
研究小组选择磷化镓是因为它卓越的光学特性。首先，它表现出强烈的光非线性，意味着通过它的光波可以以增强信号强度的方式相互作用。其次，它具有高折射率，允许光在波导内被紧密限制，从而实现更高效的放大。通过使用磷化镓，科学家们在仅几厘米长的波导中实现了高增益，显著减少了放大器的占地空间，使其适用于下一代光通信系统。
研究人员展示了他们的芯片型放大器可以实现最高35 dB的增益，同时保持低噪声。此外，极其微弱的信号也可以被放大，放大器能够处理超过六个数量级的输入功率。这些特性使得新放大器在电信以外的多种应用中具有高度适应性，例如精准传感。
该放大器还增强了光频梳和相干通信信号的性能——现代光网络和光子学中的两项关键技术——表明这样的光子集成电路可以超越传统的基于光纤的放大系统。
新放大器对数据中心、人工智能处理器和高性能计算系统的未来影响深远，所有这些都可以受益于更快、更高效的数据传输。而且，应用不仅限于数据传输，还扩展到光学传感、计量甚至自动驾驶车辆使用的激光雷达系统。
