Para ilmuwan di EPFL dan IBM Research telah mengembangkan penguat optik yang ringkas berdasarkan chip fotonik yang jauh lebih mengungguli amplifier optik tradisional baik dalam bandwidth dan efisiensi. Terobosan ini dapat membentuk kembali interkoneksi pusat data, akselerator AI, dan komputasi kinerja tinggi.
Gambar: Foto makro yang ditumpuk fokus dari chip fotonik gallium fosfida yang menampilkan beberapa pandu gelombang spiral dan struktur uji lainnya. Lebar chip hanya 0,55 cm. Karena tingginya kerr nonlinier gallium fosfida, indeks biasnya yang tinggi, dan penyerapan dua foton yang dapat diabaikan, amplifikasi parametrik optik yang sangat efisien dan konversi frekuensi dibandingkan pita komunikasi optik S, C, dan L dicapai dengan menggunakan chip ini. Kredit: Nikolai Kuznetsov (EPFL).
Jaringan komunikasi modern mengandalkan sinyal optik untuk mentransfer sejumlah besar data. Tetapi seperti sinyal radio yang lemah, sinyal optik ini perlu diperkuat untuk melakukan perjalanan jarak jauh tanpa kehilangan informasi. Amplifier yang paling umum, Amplifier Serat (EDFAS) yang didoping Erbium, telah melayani tujuan ini selama beberapa dekade, memungkinkan jarak transmisi yang lebih lama tanpa perlu regenerasi sinyal yang sering. Namun, mereka beroperasi dalam bandwidth spektral terbatas, membatasi perluasan jaringan optik.
Untuk memenuhi permintaan yang meningkat untuk transmisi data berkecepatan tinggi, para peneliti telah mencari cara untuk mengembangkan amplifier yang lebih kuat, fleksibel, dan kompak. Meskipun akselerator AI, pusat data, dan sistem komputasi berkinerja tinggi menangani jumlah data yang semakin meningkat, keterbatasan amplifier optik yang ada menjadi lebih jelas.
Kebutuhan akan amplifikasi ultra -broadband – amplifier yang bekerja di berbagai panjang gelombang – lebih mendesak dari sebelumnya. Solusi yang ada, seperti amplifier Raman, menawarkan beberapa peningkatan, tetapi mereka masih terlalu kompleks dan haus energi.
Sekarang, para peneliti yang dipimpin oleh Tobias Kippenberg di EPFL dan Paul Seidler di IBM Research Europe-Zurich telah mengembangkan penguat parametrik gelombang perjalanan berbasis fotonik (TWPA) yang mencapai amplifikasi sinyal ultra-broadband dalam bentuk kompak yang tidak pernah terjadi sebelumnya. Menggunakan teknologi Gallium Phosphide-On-Silikon Dioksida, penguat baru mencapai gain bersih lebih dari 10 dB di bandwidth sekitar 140 nm-tiga kali lebih lebar dari EDFA C-band konvensional.
Sebagian besar amplifier bergantung pada elemen langka-bumi untuk memperkuat sinyal. Sebaliknya, penguat baru menggunakan nonlinier optik – properti di mana cahaya berinteraksi dengan bahan untuk memperkuat dirinya sendiri. Dengan merancang waveguide spiral kecil, para peneliti menciptakan ruang di mana gelombang cahaya saling memperkuat satu sama lain, meningkatkan sinyal lemah sambil menjaga kebisingan tetap rendah. Metode ini tidak hanya membuat amplifier lebih efisien tetapi juga memungkinkannya untuk bekerja melintasi rentang panjang gelombang yang jauh lebih luas, semuanya dalam perangkat berukuran chip yang kompak.
Tim memilih Gallium Phosphide karena sifat optiknya yang luar biasa. Pertama, ini menunjukkan nonlinier optik yang kuat, yang berarti bahwa gelombang cahaya yang melewatinya dapat berinteraksi dengan cara yang meningkatkan kekuatan sinyal. Kedua, ia memiliki indeks bias yang tinggi, yang memungkinkan cahaya terbatas di dalam pandu gelombang, yang mengarah ke amplifikasi yang lebih efisien. Dengan menggunakan Gallium Phosphide, para ilmuwan mencapai keuntungan tinggi dengan pandu gelombang hanya beberapa sentimeter, secara signifikan mengurangi jejak amplifier dan menjadikannya praktis untuk sistem komunikasi optik generasi berikutnya.
Para peneliti menunjukkan bahwa penguat berbasis chip mereka dapat mencapai gain hingga 35 dB sambil menjaga kebisingan tetap rendah. Selain itu, sinyal yang sangat lemah dapat diamplifikasi, dengan penguat menangani kekuatan input berkisar lebih dari enam orde besarnya. Fitur -fitur ini membuat penguat baru sangat mudah beradaptasi dengan berbagai aplikasi di luar telekomunikasi, seperti penginderaan presisi
Amplifier juga meningkatkan kinerja sisir frekuensi optik dan sinyal komunikasi yang koheren – dua teknologi utama dalam jaringan optik modern dan fotonik – menunjukkan bahwa sirkuit terintegrasi fotonik tersebut dapat melampaui sistem amplifikasi berbasis serat tradisional.
Amplifier baru memiliki implikasi yang luas untuk masa depan pusat data, prosesor AI, dan sistem komputasi kinerja tinggi, semua yang dapat memperoleh manfaat dari transfer data yang lebih cepat dan lebih efisien. Dan aplikasi melampaui transmisi data, ke penginderaan optik, metrologi, dan bahkan sistem LIDAR yang digunakan dalam kendaraan self-driving.
Referensi
Kuznetsov, N., Nardi, A., Riemensberger, J., Davydova, A., Churaev, M., Seidler, P., Kippenberg, TJ Amplifier Parametrik Gelombang Ultra-Broadband Berbasis Chip. Alam 12 Maret 2025. DOI: 10.1038/S41586-025-08666-Z
