现代通信网络依赖光信号来传输大量数据。然而，就像微弱的无线电信号一样，这些光信号需要放大才能在长距离传输中保持信息完整。几十年来，掺铒光纤放大器（EDFA）一直是主流的光信号放大器，它无需频繁再生信号即可实现长距离传输。但其工作频谱带宽有限，制约了光网络的进一步扩展。

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为了满足日益增长的高速数据传输需求，研究人员一直在探索更强大、更灵活且更紧凑的放大器。尽管人工智能（AI）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日益明显。

市场对超宽带放大器（即能够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，如拉曼放大器（Raman amplifier）虽然有所改进，但仍存在复杂度高和能耗大的问题。

据外媒报道，由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Tobias Kippenberg和IBM苏黎世研究院（IBM Research Europe—Zurich）的Paul Seidler领导的研究团队开发出一种基于光子芯片的行波参量放大器（TWPA），以极其紧凑的形式实现了超宽带信号放大。相关成果已发表在期刊《自然》（Nature）上。

该放大器利用二氧化硅上的磷化镓技术，在大约140纳米的带宽内实现了超过10分贝的净增益，其带宽是传统C波段掺铒光纤放大器的3倍。与依赖稀土元素的传统放大器不同，这种新型放大器利用光学非线性特性——即光与材料相互作用以增强自身信号。

通过精心设计微型螺旋波导，研究人员创建了一个光波相互增强的空间，既能放大微弱信号，又能保持低噪声。这种方法不仅提高了放大器的效率，还使其能够在更宽的波长范围内工作，且全部集成在一个芯片级的紧凑设备中。

该研究团队选择磷化镓，是因为它具有卓越的光学特性。首先，它表现出强烈的光学非线性，光波通过时可以相互作用以增强信号强度。其次，磷化镓的高折射率能够将光紧密限制在波导内，从而提高放大效率。借助磷化镓，科学家仅用几厘米长的波导就实现了高增益，大幅缩小了放大器的体积，使其适用于下一代光通信系统。

研究人员展示了这种芯片放大器可以实现高达35分贝的增益，同时保持低噪声水平。此外，它可以放大非常微弱的信号，输入功率范围跨6个数量级。这些特性使其不仅适用于光通信，还能广泛应用于精密传感等领域。此外，该放大器还显著提升了光频梳和相干通信信号的性能——这两项技术是现代光网络和光子学的关键技术——表明光子集成电路有望超越传统的光纤放大系统。

这种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具有深远影响，这些领域都将受益于更快、更高效的数据传输。其应用范围不仅限于数据传输，还涵盖光学传感、计量学，甚至自动驾驶汽车中使用的激光雷达系统。