Сверхширокополосный фотонный чип усиливает оптические сигналы, преобразуя высокоскоростную передачу данных
22:00, Март 14, 2025
Современные сети связи полагаются на оптические сигналы для передачи огромных объемов данных. Но, как и слабый радиосигнал, эти оптические сигналы необходимо усиливать, чтобы они могли передаваться на большие расстояния без потери информации. Наиболее распространенные усилители, усилители на основе волокон, легированных эрбием (EDFA), служат этой цели уже несколько десятилетий, обеспечивая более дальнюю передачу без необходимости частой регенерации сигнала. Однако они работают в ограниченной спектральной полосе пропускания, что сдерживает расширение оптических сетей. Чтобы удовлетворить растущий спрос на высокоскоростную передачу данных , исследователи ищут способы разработки более мощных, гибких и компактных усилителей. Несмотря на то, что ускорители ИИ, центры обработки данных и высокопроизводительные вычислительные системы обрабатывают постоянно растущие объемы данных, ограничения существующих оптических усилителей становятся все более очевидными. Потребность в сверхширокополосном усилении — усилителях, работающих в более широком диапазоне длин волн — сейчас более насущна, чем когда-либо. Существующие решения, такие как усилители Рамана, предлагают некоторые улучшения, но они все еще слишком сложны и энергоемки. Теперь исследователи под руководством Тобиаса Киппенберга из EPFL и Пола Зайдлера из IBM Research Europe в Цюрихе разработали параметрический усилитель бегущей волны (TWPA) на основе фотонного чипа, который обеспечивает сверхширокополосное усиление сигнала в беспрецедентно компактной форме. Работа опубликована в журнале Nature. Используя технологию фосфида галлия на диоксиде кремния, новый усилитель достигает чистого усиления более 10 дБ в полосе пропускания приблизительно 140 нм, что в три раза шире, чем у обычного EDFA C-диапазона. Большинство усилителей используют редкоземельные элементы для усиления сигналов. Вместо этого новый усилитель использует оптическую нелинейность — свойство, при котором свет взаимодействует с материалом, чтобы усилить себя. Тщательно спроектировав крошечный спиральный волновод, исследователи создали пространство, в котором световые волны усиливают друг друга, усиливая слабые сигналы и сохраняя низкий уровень шума. Этот метод не только делает усилитель более эффективным, но и позволяет ему работать в гораздо более широком диапазоне длин волн, и все это в компактном устройстве размером с чип. Команда выбрала фосфид галлия из-за его исключительных оптических свойств. Во-первых, он демонстрирует сильную оптическую нелинейность, что означает, что световые волны, проходящие через него, могут взаимодействовать таким образом, что это увеличивает силу сигнала. Во-вторых, он имеет высокий показатель преломления, что позволяет плотно удерживать свет внутри волновода, что приводит к более эффективному усилению. Используя фосфид галлия, ученые добились высокого коэффициента усиления при длине волновода всего в несколько сантиметров, что значительно уменьшило площадь основания усилителя и сделало его пригодным для использования в системах оптической связи следующего поколения. Исследователи продемонстрировали, что их усилитель на основе чипа может достигать усиления до 35 дБ, сохраняя при этом низкий уровень шума. Кроме того, можно усиливать чрезвычайно слабые сигналы, при этом усилитель может обрабатывать входные мощности в диапазоне более шести порядков. Эти особенности делают новый усилитель легко адаптируемым к различным приложениям за пределами телекоммуникаций, например, для точного зондирования. Усилитель также улучшил характеристики оптических частотных гребенок и когерентных сигналов связи — двух ключевых технологий в современных оптических сетях и фотонике, — показав, что такие фотонные интегральные схемы могут превосходить традиционные системы усиления на основе волокон. Новый усилитель имеет далеко идущие последствия для будущего центров обработки данных, процессоров ИИ и высокопроизводительных вычислительных систем, все из которых могут выиграть от более быстрой и эффективной передачи данных. И приложения выходят за рамки передачи данных, до оптического зондирования, метрологии и даже систем LiDAR, используемых в беспилотных автомобилях....
