光電晶片革命：超寬頻光訊號放大技術引領未來

在光通訊領域，一項突破性的技術正悄然改變遊戲規則。這種新型光放大器與傳統放大器截然不同，它利用光學非線性特性而非稀土元素來增強訊號，使訊號能夠自我強化。其結果是，這款小巧且高效能的裝置，擁有比傳統解決方案寬三倍的頻寬。

現代通訊網路依賴光訊號來傳輸大量資料。然而，就像微弱的無線電訊號一樣，這些光訊號也需要放大才能在長距離傳輸中保持穩定。過去幾十年來，摻鉺光纖放大器（EDFA）一直是標準解決方案，它無需頻繁的訊號再生即可延長傳輸距離。儘管EDFA效果顯著，但其運作範圍受限於有限的頻譜，這限制了光網路的發展。

隨著AI加速器、資料中心和高效能運算對高速資料傳輸的需求不斷增加，現有的光放大器已顯露出其侷限性。研究人員正積極探索開發更強大、更靈活且更小巧的放大器，以應對日益增長的資料需求。

超寬頻放大技術的需求從未如此迫切，它能夠在更廣泛的波長範圍內增強訊號。雖然像拉曼放大器這樣的替代方案提供了一些改進，但它們仍然複雜且耗能，這凸顯了對更高效解決方案的迫切需求。

由EPFL的Tobias Kippenberg和IBM Research Europe – Zurich的Paul Seidler領導的研究團隊，開發了一種基於光電晶片的行波參量放大器（TWPA），在極其緊湊的尺寸下實現了超寬頻訊號放大。利用磷化鎵-二氧化矽技術，這款新型放大器在大約140 nm的頻寬內實現了超過10 dB的淨增益，比傳統的C波段EDFA寬三倍。

大多數放大器依賴稀土元素來增強訊號，而這款新型放大器則利用光學非線性特性——即光與材料相互作用以自我放大的特性。透過精心設計微小的螺旋波導，研究人員創造了一個光波相互強化的空間，在保持低噪音的同時增強弱訊號。這種方法不僅使放大器更高效，還使其能在更廣泛的波長範圍內工作，所有這些都整合在一個小巧的晶片尺寸裝置中。

研究團隊選擇磷化鎵是因為其卓越的光學特性。首先，它具有強烈的光學非線性，這意味著透過它的光波可以以增強訊號強度的方式相互作用。其次，它具有高折射率，這使得光能夠緊密地限制在波導內，從而實現更高效的放大。

透過使用磷化鎵，科學家們在僅幾釐米長的波導中實現了高增益，顯著減小了放大器的尺寸，使其適用於下一代光通訊系統。

研究人員展示了這款晶片放大器能夠實現高達35 dB的增益，同時保持低噪音。此外，它能夠放大極弱的訊號，處理的輸入功率範圍超過六個數量級。這些特性使這款新型放大器極具適應性，不僅適用於電信領域，還可用於精密感測等應用。

這款放大器還提升了光頻梳和相干通訊訊號的效能——這兩項技術在現代光網路和光子學中至關重要——顯示出這種光子積體電路可以超越傳統的基於光纖的放大系統。

這款新型放大器對資料中心、AI處理器和高效能運算系統的未來具有深遠影響，這些領域都能從更快、更高效的資料傳輸中受益。其應用範圍不僅限於資料傳輸，還包括光學感測、計量學，甚至用於自駕車的LiDAR系統。

參考文獻：Nikolai Kuznetsov, Alberto Nardi, Johann Riemensberger, Alisa Davydova, Mikhail Churaev, Paul Seidler和Tobias J. Kippenberg於2025年3月12日在《自然》期刊上發表的《基於光電晶片的超寬頻參量放大器》，DOI: 10.1038/s41586-025-08666-z。