近日，科技领域迎来一项重大突破！由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的托拜厄斯·基彭伯格（Tobias Kippenberg）和IBM欧洲苏黎世研究中心的保罗·塞德勒（Paul Seidler）带领的研究团队，成功研发出一款基于光子芯片的行波参量放大器（TWPA），它能实现超宽带光信号放大，有望彻底改变光通信领域的格局。
在现代通信网络中，光信号承担着传输海量数据的重任。但光信号在长距离传输时，就像微弱的无线电信号一样，会逐渐变弱，需要进行放大。过去几十年，掺铒光纤放大器（EDFAs）一直是光信号放大的“主力军”，它能在一定程度上延长信号传输距离，还不用频繁对信号进行再生处理。不过，EDFAs也有个大缺点，它只能在有限的光谱范围内工作，这就限制了光网络的进一步发展。
随着人工智能加速器、数据中心和高性能计算的飞速发展，人们对高速数据传输的需求越来越大，现有的光放大器已经有点“力不从心”了。像拉曼放大器这样的替代产品，虽然能带来一些改善，但它们结构复杂，还特别耗能，所以研发更高效的放大器迫在眉睫。
这次研发的光子芯片，采用了磷化镓 - 二氧化硅技术，别看它尺寸小巧，芯片宽度只有0.55厘米，却有着惊人的实力。它能在约140纳米的带宽上实现超过10 dB的净增益，带宽是传统C波段EDFA的三倍。
这款芯片的独特之处在于，它没有像大多数放大器那样依赖稀土元素来增强信号，而是利用了光学非线性特性。研究人员精心设计了一种微小的螺旋波导，在这个波导里，光波能相互增强，这样一来，微弱的光信号就能被放大，而且产生的噪音还很低。这种创新设计不仅让放大器的效率大大提高，还能让它在更广泛的波长范围内工作。
研究团队选择磷化镓作为芯片材料，也是有原因的。磷化镓具有很强的光学非线性，光波通过它的时候能相互作用，增强信号强度；同时，它的折射率很高，能把光紧紧限制在波导内，让放大效果更好。利用磷化镓，科学家们用只有几厘米长的波导就实现了高增益，大大缩小了放大器的尺寸，为下一代光通信系统提供了更实用的解决方案。
实验显示，这款基于芯片的放大器表现十分出色，增益最高可达35 dB，同时还能保持低噪音。它甚至能放大极其微弱的信号，处理的输入功率范围跨越了六个数量级。除了在电信领域大显身手，它在精密传感、光学频率梳以及相干通信信号等方面也表现优异，这些应用都展示了这款光子集成电路超越传统光纤放大器系统的巨大潜力。
这款新型放大器的诞生，对数据中心、人工智能处理器和高性能计算系统的未来发展意义重大，它能让数据传输更快、更高效。而且，它的应用领域还不止于此，在光学传感、计量学，甚至自动驾驶汽车使用的激光雷达系统中，都可能看到它的身影。可以说，它开启了光通信及相关领域的全新篇章。
参考资料：DOI： 10.1038/s41586-025-08666-z
