El chip fotónico ultra-broaden aumenta las señales ópticas para remodelar la transmisión de datos de alta velocidad

Las redes de comunicación modernas se basan en señales ópticas para transferir grandes cantidades de datos. Pero al igual que una señal de radio débil, estas señales ópticas deben amplificarse para viajar largas distancias sin perder información.

Los amplificadores más comunes, los amplificadores de fibra dopados con erbio (EDFA), han servido este propósito durante décadas, lo que permite distancias de transmisión más largas sin la necesidad de una regeneración de señales frecuente. Sin embargo, operan dentro de un ancho de banda espectral limitado, restringiendo la expansión de las redes ópticas.

Para satisfacer la creciente demanda de alta velocidad transmisión de datoslos investigadores han estado buscando formas de desarrollar amplificadores más potentes, flexibles y compactos. Aunque aceleradores de IA, centros de datosy los sistemas de computación de alto rendimiento manejan cantidades cada vez mayores de datos, las limitaciones de las existentes amplificadores ópticos se están volviendo más evidentes.

La necesidad de una amplificación de banda ultra-broade, amplificadores que funcionan en una gama más amplia de longitudes de onda, es más apremiante que nunca. Las soluciones existentes, como los amplificadores Raman, ofrecen algunas mejoras, pero todavía son demasiado complejas y hambrientas de energía.

Ahora, los investigadores dirigidos por Tobias Kippenberg en EPFL y Paul Seidler en IBM Research Europe-Zurich han desarrollado un amplificador paramétrico de onda ondulada fotónica (TWPA) que logra una amplificación de señal de banda ultra-broaden en una forma compacta sin precedentes.

El trabajo ha sido publicado en Naturaleza.

Utilizando la tecnología de dióxido de fosfuro de galio en silicio, el nuevo amplificador alcanza una ganancia neta de más de 10 dB en un ancho de banda de aproximadamente 140 nm, tres veces más ancho que un EDFA de banda C convencional.

La mayoría de los amplificadores se basan en elementos de tierra rara para fortalecer las señales. En cambio, el nuevo amplificador usa no linealidad óptica, una propiedad donde la luz interactúa con un material para amplificarse.

Al diseñar cuidadosamente una pequeña guía de ondas espirales, los investigadores crearon un espacio donde las ondas de luz se refuerzan entre sí, lo que aumenta las señales débiles mientras mantienen el ruido bajo. Este método no solo hace que el amplificador sea más eficiente, sino que también le permite funcionar en una gama mucho más amplia de longitudes de onda, todo dentro de un dispositivo compacto del tamaño de un chip.

El equipo eligió el fosfuro de galio debido a sus propiedades ópticas excepcionales. Primero, exhibe una fuerte no linealidad óptica, lo que significa que las ondas de luz que pasan a través de ella pueden interactuar de una manera que aumenta la resistencia de la señal.

En segundo lugar, tiene un alto índice de refracción, que permite que la luz se limite bien dentro de la guía de onda, lo que lleva a una amplificación más eficiente.

Al usar fosfuro de galio, los científicos lograron una alta ganancia con una guía de ondas de solo unos pocos centímetros de largo, reduciendo significativamente la huella del amplificador y haciéndola práctica para los sistemas de comunicación óptica de próxima generación.

Los investigadores demostraron que su amplificador basado en chips podría lograr hasta 35 dB de ganancia mientras mantiene el ruido bajo. Además, se podrían amplificar señales notablemente débiles, con el amplificador que maneja las potencias de entrada que varían más de seis órdenes de magnitud. Estas características hacen que el nuevo amplificador sea altamente adaptable a una variedad de aplicaciones más allá de las telecomunicaciones, como la detección de precisión.

El amplificador también mejoró el rendimiento de los peines de frecuencia óptica y las señales de comunicación coherentes, dos tecnologías clave en las redes ópticas modernas y la fotónica, muestran que tales circuitos integrados fotónicos pueden superar los sistemas de amplificación basados ​​en fibra tradicionales.

El nuevo amplificador tiene implicaciones de largo alcance para el futuro de los centros de datos, los procesadores de IA y los sistemas de computación de alto rendimiento, todos los cuales pueden beneficiarse de una transferencia de datos más rápida y eficiente. Y las aplicaciones se extienden más allá de la transmisión de datos, a los sistemas de detección óptica, metrología e incluso LiDAR utilizados en vehículos autónomos.