瑞典查尔姆斯理工大学开发新型芯片放大器彻底改变了光纤通信

瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究人员在最近发表在《自然》（Nature）杂志上的一项研究中介绍了一种新型放大器，其数据传输速率比目前光纤系统可达到的数据传输速率高十倍。这种放大器可以集成到一个小型芯片中，有望用于各种重要的激光系统，包括用于医疗诊断和治疗的系统。

图1.查默斯大学研究人员开发的放大器结构紧凑，尺寸仅为几厘米，但每秒处理的数据量却比目前的光通信系统大十倍。这项创新利用了设计和材料选择的独特组合，提供了最小噪声和紧凑外形等技术优势。放大器采用了螺旋形的互连波导模式，可有效引导激光束，精度高，损耗小。图片来源：查尔默斯理工大学 | Vijay Shekhawat

受人工智能技术进步、流媒体服务日益普及以及新型智能设备激增等因素的推动，预计到 2030 年，数据流量将翻一番。数据使用量的增加提高了对能够处理大量数据的通信系统的需求。

目前，电信、互联网和其他数据密集型服务都依赖于光通信系统。这些系统利用光来远距离传输信息。激光脉冲高速穿过光纤中的薄玻璃丝，实现数据传输。

光放大器通过防止信号被噪声淹没，在保持数据质量方面发挥着至关重要的作用。放大器的带宽或其可处理的光波长范围是决定光通信系统数据传输能力的关键因素。

“目前光通信系统中使用的放大器带宽约为 30 纳米。而我们的放大器拥有 300 纳米的带宽，每秒传输的数据量是现有系统的十倍。”——彼得-安德烈克森，查尔姆斯理工大学光子学教授兼研究第一作者

体积小、灵敏度高、功能强大

这种新型放大器采用氮化硅制成的多个螺旋形互连小波导，以最小的损耗引导光线。这种材料与优化的几何设计相结合，产生了多项技术优势。

图2.用于超宽带光放大和波长转换的单模色散工程非线性集成波导。

“这种放大器的关键创新之处在于，它能够将带宽提高十倍，同时比任何其他类型的放大器都能更有效地降低噪音。这种能力使它能够放大非常微弱的信号，如太空通信中使用的信号。”——彼得-安德烈克森，查尔姆斯理工大学光子学教授兼研究第一作者

此外，研究人员还成功地将该系统微型化，使其可安装在仅几厘米大小的芯片上。

“Peter Andrekson 补充说：”虽然在小型芯片上构建放大器并不是一个新概念，但这是首次实现如此大的带宽。

有助于更早地检测疾病

研究人员在芯片上集成了多个放大器，使设计易于扩展。这种配置允许创建能够在大范围内快速调整波长的激光系统。由于光放大器是所有激光器的关键部件，因此这项发明具有众多潜在应用。

图3.具有超色散工程的超宽带集成参数波导。

“只要对设计稍作调整，就能放大可见光和红外线。这意味着该放大器可用于医疗诊断、分析和治疗的激光系统。大带宽可以对组织和器官进行更精确的分析和成像，有助于更早地发现疾病。”——彼得-安德烈克森（Peter Andrekson），查尔姆斯理工大学光子学教授兼研究第一作者

除了多功能性外，该放大器还有助于缩小激光系统的尺寸和降低成本。

图4.基于单模非线性螺旋肋Si3N4集成波导的超宽带高效、高速全光波长转换。

"这种放大器为激光器提供了一种可扩展的解决方案，使其能够在各种波长下工作，同时更具成本效益、更紧凑、更节能。因此，基于该放大器的单个激光系统可用于多个领域。Peter Andrekson 解释说："除了医学研究、诊断和治疗外，它还可以应用于成像、全息摄影、光谱学、显微镜以及完全不同波长的材料和元件表征。

进一步了解放大器的潜力

研究人员证明，该放大器可在光通信光谱的 1400-1700 纳米范围内有效工作。由于该放大器具有 300 纳米的宽带宽，因此可以调整到其他波长。

图5.不同光放大器的带宽和波长范围。

通过修改波导设计，还可以放大其他波段的信号，如可见光（400-700 nm）和红外光（2000-4000 nm）。这种灵活性为放大器在疾病诊断、治疗、内部器官和组织可视化以及外科手术等需要可见光或红外光的应用中的应用提供了可能性。