指尖大小光学放大器将光信号增强百倍 斯坦福团队实现低功耗高带宽突破

斯坦福大学物理学家团队近日宣布，他们研发出一款尺寸仅相当于指尖的新型光学放大器，能够在仅消耗几百毫瓦功率的前提下，将光信号强度提升约100倍，同时保持低噪声与全带宽性能，为未来集成光子芯片和电池供电设备打开新可能。 相关成果发表于《自然》期刊。

光学放大器的功能类似音频系统中的功放，用于增强光信号强度，是光纤通信、卫星通信等多种光基技术的关键环节。 目前常见的紧凑型光学放大器普遍功耗较高、噪声较大，且在可集成到芯片方面存在限制。 斯坦福团队此次提出的方案，重点在于通过“能量回收”的设计，大幅提高效率，在不牺牲带宽和噪声性能的前提下降低能耗。

论文的通讯作者、斯坦福大学人文与科学学院物理学副教授Amir Safavi-Naeini表示，这是首次实现真正兼具通用性与低功耗的新型光学放大器，能够覆盖光学频谱内的广泛波段，并且足够高效，适合集成在芯片上使用，从而为构建更复杂的光学系统提供基础。

研究团队介绍，该放大器可以在保持芯片级紧凑尺寸的同时，将输入光信号强度放大约100倍，仅需要数百毫瓦级功率，相比同类器件显著降低能耗。 由于体积小、功耗低，该装置有望直接由电池供电，嵌入笔记本电脑、智能手机等便携式终端。 在信号放大过程中，新器件还能有效抑制附加噪声，并提供比现有紧凑放大器更宽的工作带宽，可支持更宽范围的光频率，提高数据容量并减少干扰。

这款放大器的核心在于对“泵浦光”（pump）的能量回收利用。 在传统设计中，泵浦光仅作为驱动介质，其能量利用效率有限，而斯坦福团队通过谐振结构，让泵浦光在系统内部循环并持续增强，从而以较低的输入功率获得更高的场强。 论文共同第一作者、Safavi-Naeini课题组博士生Devin Dean指出，通过对泵浦能量进行循环利用，团队在不牺牲其它关键性能指标的前提下，实现了放大器效率的提升。

具体而言，研究人员在器件中采用类似激光器谐振腔的结构，将光“反射回自身”，使其在腔内反复往返、强度逐步累积。 在本次设计中，泵浦光在一个形似“跑道”的环形谐振器中循环传播，沿着闭合回路不断增强，为目标信号提供更高效的增益。 这种“光学赛道”结构使系统在较低输入能量下获得更高的泵浦强度，显著改善整体能效。

得益于功耗降低和芯片级微缩，这一放大器被认为有望在多种应用场景中落地，包括高速数据通信、生物传感、新型光源开发等。 Dean表示，一旦能将这样的器件做到可以大规模生产并由电池驱动，其应用空间将非常广阔，因为体积足够小，可以在各种终端设备中批量部署。

该研究论文题为《通过二次谐振实现低功耗集成光学放大》（Low-power integrated optical amplification through second-harmonic resonance），作者来自斯坦福大学及合作机构。 研究工作获得美国国防高级研究计划局（DARPA）、日本NTT Research以及美国国家科学基金会等机构资助。

编译自/ScitechDaily