這項發明可以類比于我們可以從舊式撥號上網技術進化到了現代寬帶技術，后者毫無疑問地具有更高的速度和質量。

——Peter Andrekson

瑞典查爾姆斯理工大學 教授

圖1：瑞典查爾姆斯理工大學發明的新式緊湊型光放大器比傳統的光放大器小數千倍。（圖源：瑞典查爾姆斯理工大學）

光通信技術（名詞解釋>）在如今的信息化世界中無處不在。常見的空間光通信，抑或是用于互聯網傳輸的光纖電纜，都使得長距離的信息交換變得稀松平常。

比如，通過基于光而非傳統上的無線電波的通信技術，我們可以在宇宙中發送高分辨率圖像。這些由激光束攜帶的數據可以經由星球上的發射器以超高速被發送到地球對應的接收器中。除此之外，光通信還能使人們能夠在世界各地隨意地使用互聯網——無論這些信號是通過海底光纖電纜傳輸還是無線光傳輸。

圖2：深空光通信系統（圖源：瑞典查爾姆斯理工大學）

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由于在兩個遠距離點之間傳送信息的激光束不可避免地會在途中失去功率，因此需要大量的光放大器進行中繼。假設沒有這些放大器器件，光纖電纜中高達 99% 的信號將在 100 公里內消失。

然而，光通信中一直存在的問題是：光放大器在放大信號的過程中，不可避免地會增加多余的噪音，從而大大損害了接收端信號的質量。

鑒于此，瑞典查爾姆斯理工大學的Peter Andrekson教授團隊對這個已經存在了幾十年的難題提出了一個非常有希望的解決方案——基于非線性效應的緊湊型光參量放大器。

圖3：該光放大器的原型（圖源：瑞典查爾姆斯理工大學）

新型光放大器是世界領先的，它能夠顯著提高光通信的范圍、靈敏度和性能，但不會產生任何多余的噪聲——而且還足夠微小緊湊，具有很高的實用價值。

該結果最近以“Overcoming the quantum limit of optical amplification in monolithic waveguides”為題發表在 Science Advances。

該研究中的光放大原理基于克爾效應（名詞解釋>），而不是傳統上使用的受激輻射(名詞解釋>)，這也是迄今為止已知的唯一一種可以在不引入顯著多余噪聲的情況下進行放大光的方法。盡管該原理之前已經被證明過，但都因為體積太過龐大而失去了實用價值。

小巧、安靜、高性能

該緊湊型光放大器由9列獨立相同的氮化硅波導組成（圖4左）。每個波導由 23個螺旋組成，可以將光放大約10倍，噪聲系數僅為1.2dB。每個螺旋（圖4右）的面積為1mm2。

圖4：該緊湊型光放大器的微觀圖（圖源：瑞典查爾姆斯理工大學）

此外，該放大器還提供了足夠高的性能水平，以至于可以使用更稀疏的排布方式，使其成為更具成本效益的選擇。更加重要的是，光放大不僅在脈沖模式下工作，還能夠適用于連續波 (CW) 模式（名詞解釋>）。

圖5：光參量放大的實驗裝置示意圖。WDM：波分復用器；PS：移相器；OSA：光譜儀；ONF：光學陷波濾波器；OBPF：光學帶通濾波器；PLL：鎖相環（圖源：Sci. Adv. 2021; 7 : eabi8150）

這是世界首次在緊湊型集成芯片中實現極低噪聲的連續波放大操作，這為其在未來的各種實際應用提供了巨大的機遇。由于將光放大器微型化成為可能，此類器件勢必會成為一個物美價廉的選擇。從長遠來看，之后如何對其進行商業化將變得非常有趣。

研究人員指出，更低的多余噪音和更高的光放大增益可以通過進一步降低波導損耗，增加波導長度和減少光模式中基模和高階模之間的串擾（名詞解釋>）來實現。對于實際應用來說，如何在未來盡可能地減小光纖和波導的耦合損耗也是一個重要的研究課題。

值得一提的是，光參量放大不僅可用于通信頻段，還可以向其他波長領域延展，因為氮化硅從可見光波段到中紅外波段都是可用的。這也為其的前景增添了更多的遐想。

未來，此類光放大器還為其他各類型的全新應用打開了大門，不僅在常見的光通信中，而且在未來的量子計算機，超快激光光譜學和各種傳感器系統，甚至在地球衛星進行大氣測量等不同領域，都將展現出無限的潛力。毋庸置疑地，該項成果是邁向芯片級光學信號處理和無額外噪聲光放大的一個里程碑。

論文信息

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

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

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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