磷化鎵光子芯片的聚焦堆疊宏觀照片。該芯片具有多個螺旋波導和其他測試結構，寬度僅0.55厘米。圖片來源：瑞士洛桑聯邦理工學院

瑞士洛桑聯邦理工學院與IBM歐洲研究院聯合研發團隊在新一期《自然》雜志發表論文稱，他們研制出一款基于光子芯片的行波參量放大器，通過緊湊結構實現了超帶寬信號放大。

現代通信網絡依靠光信號傳輸海量數據。然而，這些光信號需要經過放大，才能在長距離傳輸中不丟失信息。數十年來，摻鉺光纖放大器作為最常用的工具，在這方面發揮著關鍵作用。它無需頻繁重新生成信號，就能將信號傳輸至更遠的地點。然而，摻鉺光纖放大器的工作帶寬僅限于C波段（約35納米），這限制了光網絡的擴展能力。

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。磷化鎵是一種具有優異光學特性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料。大多數放大器依賴稀土元素來增強信號，而研究團隊選擇磷化鎵是因為其出色的光學特性。首先，它表現出強烈的光學非線性，使通過其中的光波能以增強信號強度的方式相互作用。其次，它的折射率高，可將光緊密限制在波導內，顯著提高放大效率。基于這些特性，研究團隊僅使用幾厘米長的波導就實現了高增益，使放大器的體積大幅縮小，且所有功能都集成在一個緊湊的芯片級設備中。

實驗結果表明，這款芯片級放大器在約140納米的帶寬范圍內實現了超過10分貝的凈增益，是傳統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，增益可達35分貝，并能處理輸入功率范圍跨越6個數量級的信號。這些特性使該放大器在電信之外的各種應用中具有高度適應性，例如精密傳感。

此外，這款放大器還提升了光學頻率梳和相干通信信號的性能，這兩項技術是現代光網絡和光子學的關鍵技術。

新型放大器對數據中心、人工智能處理器和高性能計算系統具有深遠影響，更快、更高效的數據傳輸使這些系統都能獲益。此外，它的應用范圍還擴展到數據傳輸之外，包括光學傳感、計量學，甚至自動駕駛汽車中使用的激光雷達系統。

（記者 張佳欣）