近日，科技領域迎來一項重大突破！由瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的托拜厄斯·基彭伯格（Tobias Kippenberg）和IBM歐洲蘇黎世研究中心的保羅·塞德勒（Paul Seidler）帶領的研究團隊，成功研發出一款基于光子芯片的行波參量放大器（TWPA），它能實現超寬帶光信號放大，有望徹底改變光通信領域的格局。

在現代通信網絡中，光信號承擔著傳輸海量數據的重任。但光信號在長距離傳輸時，就像微弱的無線電信號一樣，會逐漸變弱，需要進行放大。過去幾十年，摻鉺光纖放大器（EDFAs）一直是光信號放大的“主力軍”，它能在一定程度上延長信號傳輸距離，還不用頻繁對信號進行再生處理。不過，EDFAs也有個大缺點，它只能在有限的光譜范圍內工作，這就限制了光網絡的進一步發展。

隨著人工智能加速器、數據中心和高性能計算的飛速發展，人們對高速數據傳輸的需求越來越大，現有的光放大器已經有點“力不從心”了。像拉曼放大器這樣的替代產品，雖然能帶來一些改善，但它們結構復雜，還特別耗能，所以研發更高效的放大器迫在眉睫。

這次研發的光子芯片，采用了磷化鎵 - 二氧化硅技術，別看它尺寸小巧，芯片寬度只有0.55厘米，卻有著驚人的實力。它能在約140納米的帶寬上實現超過10 dB的凈增益，帶寬是傳統C波段EDFA的三倍。

這款芯片的獨特之處在于，它沒有像大多數放大器那樣依賴稀土元素來增強信號，而是利用了光學非線性特性。研究人員精心設計了一種微小的螺旋波導，在這個波導里，光波能相互增強，這樣一來，微弱的光信號就能被放大，而且產生的噪音還很低。這種創新設計不僅讓放大器的效率大大提高，還能讓它在更廣泛的波長范圍內工作。

研究團隊選擇磷化鎵作為芯片材料，也是有原因的。磷化鎵具有很強的光學非線性，光波通過它的時候能相互作用，增強信號強度；同時，它的折射率很高，能把光緊緊限制在波導內，讓放大效果更好。利用磷化鎵，科學家們用只有幾厘米長的波導就實現了高增益，大大縮小了放大器的尺寸，為下一代光通信系統提供了更實用的解決方案。

實驗顯示，這款基于芯片的放大器表現十分出色，增益最高可達35 dB，同時還能保持低噪音。它甚至能放大極其微弱的信號，處理的輸入功率范圍跨越了六個數量級。除了在電信領域大顯身手，它在精密傳感、光學頻率梳以及相干通信信號等方面也表現優異，這些應用都展示了這款光子集成電路超越傳統光纖放大器系統的巨大潛力。

這款新型放大器的誕生，對數據中心、人工智能處理器和高性能計算系統的未來發展意義重大，它能讓數據傳輸更快、更高效。而且，它的應用領域還不止于此，在光學傳感、計量學，甚至自動駕駛汽車使用的激光雷達系統中，都可能看到它的身影。可以說，它開啟了光通信及相關領域的全新篇章。

參考資料：DOI： 10.1038/s41586-025-08666-z