用于高容量数据传输的小型光子 TWPA
发布时间：2025-03-27 13:44:17 阅读数： 517
IBM 欧洲研究中心和EPFL的研究人员发明了一种基于光子芯片的行波参量放大器 (TWPA)，该放大器能够在前所未有的微小尺寸内实现超宽带信号放大。这项研究发表在《自然》杂志上。
这是一张聚焦堆叠的宏观照片，展示了一个制造的磷化镓光子芯片，该芯片具有多个螺旋波导和其他测试结构。芯片宽度仅为 0.55 厘米。由于磷化镓具有较高的克尔非线性、较高的折射率和可忽略的双光子吸收，因此使用该芯片可以实现 S、C 和 L 光通信波段的极其高效的光学参量放大和频率转换。图片来源：Nikolai Kuznetsov (EPFL)。
在现代通信网络中，光信号可以传输大量数据。然而，这些光信号必须经过放大才能传输很远的距离而不丢失信息，就像微弱的无线电传输一样。
多年来，最广泛使用的放大器是掺铒光纤放大器 (EDFA)，它通过允许更长的传输长度而无需频繁信号再生来实现这一功能。掺铒光纤放大器 (EDFA) 的光谱带宽较窄，这限制了光网络的增长。
研究人员一直在寻找方法来制造更强大、适应性更强、体积更小的放大器，以满足日益增长的高速数据传输需求。尽管人工智能加速器、数据中心和高性能计算系统管理的数据量不断增加，但传统光学放大器的局限性也变得越来越明显。
现在对超宽带放大器或可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大。尽管它们提供了一些改进，但当前的解决方案（如拉曼放大器）仍然过于复杂且耗能。
研究人员由 IBM 欧洲苏黎世研究中心的 Paul Seidler 和 EPFL 的 Tobias Kippenberg 领导。
该新型放大器采用二氧化硅上磷化镓技术，在约 140 nm 的带宽内实现了超过 10 dB 的净增益，比典型的 C 波段 EDFA 宽三倍。
与依赖稀土元素的传统放大器不同，这种新型放大器利用光学非线性，即光通过与材料的相互作用来放大自身。
通过精确设计微型螺旋波导，研究人员创造了一种光波相互增强的环境，增强了弱信号，同时最大限度地降低了噪声。这种技术提高了效率，并允许在紧凑的芯片大小的设备中在更广泛的波长范围内运行。
研究团队之所以选择磷化镓，是因为其具有出色的光学特性。首先，由于其光学非线性强，光波可以与其相互作用，从而增加信号强度。其次，由于其折射率高，光可以紧密地包含在波导内，从而实现更有效的放大。
科学家们大大减少了放大器的体积。他们利用磷化镓在长度只有几厘米的波导中产生出色的增益，使下一代光通信系统成为可能。
研究人员表示，他们基于芯片的放大器可以保持低噪声水平，同时实现 35 dB 的最大增益。此外，该放大器可以处理超过六个数量级的输入功率，从而能够放大极其微弱的信号。由于这些特性，新放大器可用于电信以外的各种用途，例如精密传感。
该放大器显著提高了相干通信信号和光频梳的性能，这两项技术是当代光子学和光网络的关键技术。这表明光子集成电路的性能可以超越传统的基于光纤的放大设备。
新型放大器将对未来的数据中心、AI 处理器和高性能计算系统产生重大影响，所有这些系统都将从更快、更有效的数据传输中获益。此外，其用途不仅限于数据传输，还包括计量、光学传感，甚至自动驾驶汽车的 LiDAR 系统。
期刊参考：
Kuznetsov, N.等人。（2025 年）基于超宽带光子芯片的参量放大器。《自然》 。doi.org/10.1038 /s41586-025-08666-z
