磷化鎵光子芯片的聚焦堆疊宏觀照片。該芯片具有多個(gè)螺旋波導(dǎo)和其他測(cè)試結(jié)構(gòu)，寬度僅0.55厘米。圖片來源：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院與IBM歐洲研究院聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)在新一期《自然》雜志發(fā)表論文稱，他們研制出一款基于光子芯片的行波參量放大器，通過緊湊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超帶寬信號(hào)放大。

現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)依靠光信號(hào)傳輸海量數(shù)據(jù)。然而，這些光信號(hào)需要經(jīng)過放大，才能在長(zhǎng)距離傳輸中不丟失信息。數(shù)十年來，摻鉺光纖放大器作為最常用的工具，在這方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它無需頻繁重新生成信號(hào)，就能將信號(hào)傳輸至更遠(yuǎn)的地點(diǎn)。然而，摻鉺光纖放大器的工作帶寬僅限于C波段（約35納米），這限制了光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展能力。

新研制的這款放大器采用了將磷化鎵沉積在二氧化硅上的技術(shù)。磷化鎵是一種具有優(yōu)異光學(xué)特性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料。大多數(shù)放大器依賴稀土元素來增強(qiáng)信號(hào)，而研究團(tuán)隊(duì)選擇磷化鎵是因?yàn)槠涑錾墓鈱W(xué)特性。首先，它表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光學(xué)非線性，使通過其中的光波能以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度的方式相互作用。其次，它的折射率高，可將光緊密限制在波導(dǎo)內(nèi)，顯著提高放大效率?；谶@些特性，研究團(tuán)隊(duì)僅使用幾厘米長(zhǎng)的波導(dǎo)就實(shí)現(xiàn)了高增益，使放大器的體積大幅縮小，且所有功能都集成在一個(gè)緊湊的芯片級(jí)設(shè)備中。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這款芯片級(jí)放大器在約140納米的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過10分貝的凈增益，是傳統(tǒng)摻鉺光纖放大器帶寬的3倍。此外，該器件在保持較低噪聲的同時(shí)，增益可達(dá)35分貝，并能處理輸入功率范圍跨越6個(gè)數(shù)量級(jí)的信號(hào)。這些特性使該放大器在電信之外的各種應(yīng)用中具有高度適應(yīng)性，例如精密傳感。

此外，這款放大器還提升了光學(xué)頻率梳和相干通信信號(hào)的性能，這兩項(xiàng)技術(shù)是現(xiàn)代光網(wǎng)絡(luò)和光子學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。

新型放大器對(duì)數(shù)據(jù)中心、人工智能處理器和高性能計(jì)算系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)影響，更快、更高效的數(shù)據(jù)傳輸使這些系統(tǒng)都能獲益。此外，它的應(yīng)用范圍還擴(kuò)展到數(shù)據(jù)傳輸之外，包括光學(xué)傳感、計(jì)量學(xué)，甚至自動(dòng)駕駛汽車中使用的激光雷達(dá)系統(tǒng)。