快速增长的数据流量对通信系统的容量提出了越来越大的要求。瑞典查尔默斯科技大学的研究团队现在推出了一种新型放大器，它能够每秒传输比当前光纤系统多十倍的数据。这个适合小芯片的放大器在各种关键激光系统中具有重要潜力，包括用于医疗诊断和治疗的激光系统。
快速增长的数据流量对通信系统的容量提出了越来越大的要求。瑞典查尔默斯科技大学的研究团队在《自然》杂志上发表的文章中介绍了一种新型放大器，它能够每秒传输比当前光纤系统多十倍的数据。这个适合小芯片的放大器在各种关键激光系统中具有重要潜力，包括用于医疗诊断和治疗的激光系统。
人工智能技术的进步、流媒体服务的日益普及以及新智能设备的激增等因素正在推动预计到2030年数据流量翻倍。数据流量的剧增提高了对能够管理大量信息的通信系统的需求。
目前，光通信系统被用于互联网、电信和其他数据密集型服务。这些系统利用光在长距离传输信息。数据通过以高速度在光纤中传播的激光脉冲传输，光纤由细的玻璃纤维组成。
为了确保信息保持高质量而不被噪声淹没，光放大器至关重要。光通信系统的数据传输能力在很大程度上取决于放大器的带宽，即其能处理的光波长范围。
“目前在光通信系统中使用的放大器带宽约为30纳米。而我们的放大器，则具备300纳米的带宽，使其能够每秒传输比现有系统多十倍的数据，”查尔默斯的光子学教授、在《自然》上发表研究的主要作者彼得·安德雷克森解释道。
小巧、灵敏、强大
新的放大器由氮化硅制成，具有几个小型、螺旋形、相互连接的波导，以最小的损耗有效引导光线。通过将该材料与优化的几何设计相结合，取得了多个技术优势。
“该放大器的关键创新在于其在提高带宽十倍的同时，能够比其他类型的放大器更有效地减少噪声。这个能力使其能够放大非常微弱的信号，例如在太空通信中使用的信号，”彼得·安德雷克森说。
此外，研究人员成功地将系统微型化，使其适合于仅几厘米大小的芯片。
“虽然在小芯片上构建放大器并不是新概念，但这是首次实现如此大的带宽，”彼得·安德雷克森补充道。
有助于疾病早期检测
研究人员在芯片上集成了多个放大器，使得该概念能够根据需要轻松扩展。由于光放大器是所有激光的关键组件，查尔默斯研究人员的设计可以用于开发能够在广泛波长范围内快速变化的激光系统。这一创新为社会开辟了许多应用。
“对设计进行小幅调整也可以使可见光和红外光的放大成为可能。这意味着放大器可以用于医疗诊断、分析和治疗的激光系统。大的带宽能够更精确地分析和成像组织和器官，促进疾病的早期检测，”彼得·安德雷克森说。
除了其广泛的应用潜力外，这个放大器还有助于使激光系统更小、更便宜。
“这个放大器提供了一个可扩展的激光解决方案，使其能够在不同的波长下运行，同时更具成本效益、紧凑和能效。因此，基于这个放大器的单一激光系统在多个领域都可以使用。除了医学研究、诊断和治疗之外，它还可以应用于成像、全息术、光谱学、显微镜学以及在完全不同波长下的材料和组件特性化，”彼得·安德雷克森解释道。
对放大器潜力的进一步洞察
不同波长的光可用于各种应用。研究人员已展示出该放大器在光通信频谱内有效工作，其波长范围为1400到1700纳米。凭借300纳米的广泛带宽，放大器可能被适应用于其他波长。通过修改波导设计，可以在其他范围内放大信号，例如可见光（400 — 700纳米）和红外光（2000 — 4000纳米）。因此，从长远来看，这种放大器可以在可见光或红外光至关重要的领域被使用，例如疾病诊断、治疗、内脏和组织的可视化以及外科手术。
该放大器是在查尔默斯的洁净室，纳米制造实验室Myfab Chalmers生产的。该研究得到了瑞典研究委员会和克努特和爱丽丝·瓦伦贝里基金会的资助。
