现代通信网络依靠光信号传输大量数据。但就像微弱的无线电信号一样，这些光信号需要放大才能长距离传输而不丢失信息。
常见的放大器是掺铒光纤放大器 (EDFA)，几十年来一直用于此目的，它能够实现更长的传输距离，而无需频繁进行信号再生。然而，它们在有限的光谱带宽内运行，限制了光网络的扩展。
为了满足日益增长的高速数据传输需求，研究人员一直在寻求开发更强大、更灵活、更紧凑的放大器的方法。尽管人工智能加速器、数据中心和高性能计算系统处理的数据量不断增加，但现有光放大器的局限性也变得越来越明显。
对超宽带放大（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更加迫切。现有的解决方案（例如拉曼放大器）提供了一些改进，但它们仍然过于复杂且耗能。
现在，由洛桑联邦理工学院的 Tobias Kippenberg 和 IBM 欧洲苏黎世研究中心的 Paul Seidler 领导的研究人员开发出了一种基于光子芯片的行波参量放大器 (TWPA)，可以以前所未有的紧凑形式实现超宽带信号放大。
该项研究成果已发表于《自然》杂志。
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，带宽是传统 C 波段 EDFA 的三倍。
大多数放大器依靠稀土元素来增强信号。而新放大器则利用光学非线性——光与材料相互作用以放大自身的特性。
通过精心设计微型螺旋波导，研究人员创造了一个光波相互增强的空间，增强了弱信号，同时保持了较低的噪声。这种方法不仅提高了放大器的效率，还使其能够在更广泛的波长范围内工作，所有这些都在一个紧凑的芯片大小的设备中完成。
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，它表现出很强的光学非线性，这意味着穿过它的光波可以相互作用，从而增强信号强度。
其次，它具有高折射率，这使得光能够被紧密地限制在波导内，从而实现更有效的放大。
通过使用磷化镓，科学家以仅几厘米长的波导实现了高增益，大大减少了放大器的占用空间，使其可用于下一代光通信系统。
研究人员证明，他们的芯片放大器可以实现高达 35 dB 的增益，同时保持较低的噪声。此外，放大器可以放大非常弱的信号，处理输入功率范围超过六个数量级。这些特性使新放大器能够高度适应电信以外的各种应用，例如精密传感。
该放大器还增强了光频率梳和相干通信信号（现代光网络和光子学中的两项关键技术）的性能，表明这种光子集成电路可以超越传统的基于光纤的放大系统。
这款新型放大器对数据中心、AI 处理器和高性能计算系统的未来有着深远的影响，所有这些都可以从更快、更高效的数据传输中受益。其应用范围不仅限于数据传输，还包括光学传感、计量，甚至是自动驾驶汽车中使用的 LiDAR 系统。
