紧凑型光放大器或将颠覆光通信

这项发明可以类比于我们可以从旧式拨号上网技术进化到了现代宽带技术，后者毫无疑问地具有更高的速度和质量。

——Peter Andrekson

瑞典查尔姆斯理工大学 教授

图1：瑞典查尔姆斯理工大学发明的新式紧凑型光放大器比传统的光放大器小数千倍。（图源：瑞典查尔姆斯理工大学）

光通信技术（名词解释>）在如今的信息化世界中无处不在。常见的空间光通信，抑或是用于互联网传输的光纤电缆，都使得长距离的信息交换变得稀松平常。

比如，通过基于光而非传统上的无线电波的通信技术，我们可以在宇宙中发送高分辨率图像。这些由激光束携带的数据可以经由星球上的发射器以超高速被发送到地球对应的接收器中。除此之外，光通信还能使人们能够在世界各地随意地使用互联网——无论这些信号是通过海底光纤电缆传输还是无线光传输。

图2：深空光通信系统（图源：瑞典查尔姆斯理工大学）

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由于在两个远距离点之间传送信息的激光束不可避免地会在途中失去功率，因此需要大量的光放大器进行中继。假设没有这些放大器器件，光纤电缆中高达 99% 的信号将在 100 公里内消失。

然而，光通信中一直存在的问题是：光放大器在放大信号的过程中，不可避免地会增加多余的噪音，从而大大损害了接收端信号的质量。

鉴于此，瑞典查尔姆斯理工大学的Peter Andrekson教授团队对这个已经存在了几十年的难题提出了一个非常有希望的解决方案——基于非线性效应的紧凑型光参量放大器。

图3：该光放大器的原型（图源：瑞典查尔姆斯理工大学）

新型光放大器是世界领先的，它能够显著提高光通信的范围、灵敏度和性能，但不会产生任何多余的噪声——而且还足够微小紧凑，具有很高的实用价值。

该结果最近以“Overcoming the quantum limit of optical amplification in monolithic waveguides”为题发表在 Science Advances。

该研究中的光放大原理基于克尔效应（名词解释>），而不是传统上使用的受激辐射(名词解释>)，这也是迄今为止已知的唯一一种可以在不引入显著多余噪声的情况下进行放大光的方法。尽管该原理之前已经被证明过，但都因为体积太过庞大而失去了实用价值。

小巧、安静、高性能

该紧凑型光放大器由9列独立相同的氮化硅波导组成（图4左）。每个波导由 23个螺旋组成，可以将光放大约10倍，噪声系数仅为1.2dB。每个螺旋（图4右）的面积为1mm²。

图4：该紧凑型光放大器的微观图（图源：瑞典查尔姆斯理工大学）

此外，该放大器还提供了足够高的性能水平，以至于可以使用更稀疏的排布方式，使其成为更具成本效益的选择。更加重要的是，光放大不仅在脉冲模式下工作，还能够适用于连续波 (CW) 模式（名词解释>）。

图5：光参量放大的实验装置示意图。WDM：波分复用器；PS：移相器；OSA：光谱仪；ONF：光学陷波滤波器；OBPF：光学带通滤波器；PLL：锁相环（图源：Sci. Adv. 2021; 7 : eabi8150）

这是世界首次在紧凑型集成芯片中实现极低噪声的连续波放大操作，这为其在未来的各种实际应用提供了巨大的机遇。由于将光放大器微型化成为可能，此类器件势必会成为一个物美价廉的选择。从长远来看，之后如何对其进行商业化将变得非常有趣。

研究人员指出，更低的多余噪音和更高的光放大增益可以通过进一步降低波导损耗，增加波导长度和减少光模式中基模和高阶模之间的串扰（名词解释>）来实现。对于实际应用来说，如何在未来尽可能地减小光纤和波导的耦合损耗也是一个重要的研究课题。

值得一提的是，光参量放大不仅可用于通信频段，还可以向其他波长领域延展，因为氮化硅从可见光波段到中红外波段都是可用的。这也为其的前景增添了更多的遐想。

未来，此类光放大器还为其他各类型的全新应用打开了大门，不仅在常见的光通信中，而且在未来的量子计算机，超快激光光谱学和各种传感器系统，甚至在地球卫星进行大气测量等不同领域，都将展现出无限的潜力。毋庸置疑地，该项成果是迈向芯片级光学信号处理和无额外噪声光放大的一个里程碑。

论文信息

Ye et al., Sci. Adv. 2021; 7 : eabi8150

https://doi.org/10.1126/sciadv.abi8150

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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