突破極限：超寬頻光子晶片重塑高速資料傳輸

現代通訊網路依賴光訊號來傳輸大量資料，但就像微弱的無線電訊號一樣，這些光訊號需要被放大才能在不丟失資訊的情況下進行長距離傳輸。過去幾十年來，摻鉺光纖放大器（EDFA）一直是這方面的主力，使得訊號能夠傳輸更遠的距離，無需頻繁地再生。然而，EDFA的頻譜頻寬有限，限制了光網路的擴充套件。

隨著高速資料傳輸需求的增長，研究人員一直在尋找開發更強大、靈活且緊湊的放大器的方法。儘管AI加速器、資料中心和高效能運算系統處理的資料量不斷增加，但現有光放大器的侷限性變得越來越明顯。超寬頻放大器的需求——即能夠在更廣泛波長範圍內工作的放大器——變得前所未有的迫切。現有的解決方案，如拉曼放大器，雖然有所改進，但仍然過於複雜且耗能。

現在，由EPFL的Tobias Kippenberg和IBM Research Europe—Zurich的Paul Seidler領導的研究團隊，開發了一種基於光子晶片的行波引數放大器（TWPA），以前所未有的緊湊形式實現了超寬頻訊號放大。這項研究已發表在《Nature》期刊上。

這款新型放大器採用磷化鎵-二氧化矽技術，在約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寬了三倍。與大多數依賴稀土元素來增強訊號的放大器不同，這款新放大器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。

透過精心設計一個微小的螺旋波導，研究人員創造了一個光波相互增強、放大微弱訊號同時保持低噪音的空間。這種方法不僅使放大器更高效，還使其能夠在更廣泛的波長範圍內工作，所有這些都集中在一個緊湊的晶片尺寸裝置中。

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，科學家們在僅幾公分長的波導中實現了高增益，顯著減小了放大器的體積，使其適用於下一代光通訊系統。

研究人員展示了他們的晶片放大器可以實現高達35 dB的增益，同時保持低噪音。此外，極其微弱的訊號也能被放大，放大器能夠處理跨越六個數量級的輸入功率。這些特性使得新放大器非常適合多種應用，不僅限於電信，還包括精密感測。

這款放大器還提升了光頻梳和相干通訊訊號的效能——這兩種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的影響，這些系統都能從更快、更高效的資料傳輸中受益。此外，其應用範圍還延伸到光學感測、計量學，甚至用於自駕車的LiDAR系統。