瑞士洛桑联邦理工学院与IBM欧洲研究院联合研发团队研制出的基于光子芯片的行波参量放大器。详细说明了该放大器的研发背景、采用技术、性能特点以及其在多个领域的应用前景。
图为磷化镓光子芯片的聚焦堆叠宏观照片。该芯片具有多个螺旋波导和其他测试结构，宽度仅0.55厘米。图片来源：瑞士洛桑联邦理工学院
在科技飞速发展的今天，数据传输的需求日益增长。瑞士洛桑联邦理工学院与IBM欧洲研究院联合研发团队在新一期《自然》杂志发表论文，宣布他们取得了一项重要成果——研制出一款基于光子芯片的行波参量放大器，该放大器通过紧凑结构实现了超带宽信号放大。
现代通信网络主要依靠光信号来传输海量数据。但光信号在长距离传输过程中，为了不丢失信息，就需要对其进行放大。数十年来，掺铒光纤放大器一直是这方面最常用的工具，它发挥着关键作用。这种放大器无需频繁重新生成信号，就能将信号传输至更远的地点。然而，掺铒光纤放大器也存在一定的局限性，它的工作带宽仅限于C波段（约35纳米），这在很大程度上限制了光网络的扩展能力。
面对这一问题，联合研发团队进行了创新。新研制的这款放大器采用了将磷化镓沉积在二氧化硅上的技术。磷化镓是一种具有优异光学特性的Ⅲ – Ⅴ族化合物半导体材料。与大多数依赖稀土元素来增强信号的放大器不同，研究团队选择磷化镓是因为它具有出色的光学特性。一方面，它表现出强烈的光学非线性，能让通过其中的光波以增强信号强度的方式相互作用；另一方面，它的折射率高，可将光紧密限制在波导内，从而显著提高放大效率。基于这些特性，研究团队仅使用几厘米长的波导就实现了高增益，使放大器的体积大幅缩小，而且所有功能都集成在一个紧凑的芯片级设备中。
实验结果令人惊喜。这款芯片级放大器在约140纳米的带宽范围内实现了超过10分贝的净增益，是传统掺铒光纤放大器带宽的3倍。此外，该器件在保持较低噪声的同时，增益可达35分贝，并且能处理输入功率范围跨越6个数量级的信号。这些特性使得该放大器不仅在电信领域表现出色，在各种其他应用中也具有高度适应性，例如精密传感。
值得一提的是，这款放大器还提升了光学频率梳和相干通信信号的性能，而这两项技术是现代光网络和光子学的关键技术。
新型放大器的出现意义重大。它对数据中心、人工智能处理器和高性能计算系统都有着深远影响，能让这些系统实现更快、更高效的数据传输。此外，它的应用范围还扩展到数据传输之外，包括光学传感、计量学，甚至自动驾驶汽车中使用的激光雷达系统。
本文介绍了瑞士洛桑联邦理工学院与IBM欧洲研究院联合研制的基于光子芯片的行波参量放大器。它突破了传统掺铒光纤放大器带宽的限制，通过采用磷化镓沉积技术实现了超带宽信号放大，具有体积小、增益高、噪声低等优点，在电信、数据中心、光学传感等多个领域都有广阔的应用前景，为现代通信和科技发展带来了新的动力。
原创文章，作者：modesty，如若转载，请注明出处：https://www.qihaozhang.com/archives/1045.html
