斯坦福研发出指尖芯片级低功耗光学放大器：可将光信号增强百倍，未来可用于智能手机

2 月 28 日消息，斯坦福大学的物理学家最近找到了一种方法，成功研发出一种新型光学放大器，其尺寸仅有指尖大小，却能以极低的能耗实现约 100 倍的光信号放大，且不损失带宽。

这项有望为光纤通信、生物传感以及数据中心等领域带来革新的研究成果，已发表在权威科学期刊《自然》（Nature）上。

在现代社会中，光承载着从电视信号、卫星传输到横跨大洋的互联网光纤电缆等几乎所有类型的信息技术。类似于音频放大器，光学放大器的核心功能是接收并增强光信号。然而，现有同尺寸级别的微型光学放大器通常需要消耗大量电能才能工作。而这一新器件则巧妙地解决了这一难题。

这款放大器在仅使用几百毫瓦功率的情况下，即可将光信号强度提升约百倍。相比现有同类尺寸的光学放大器，其能耗大幅降低。极高的能效与微小的尺寸相结合，意味着该放大器未来可以由电池供电，并集成到笔记本电脑甚至智能手机之中。

“我们首次展示了一种真正意义上的、多功能且低功耗的光学放大器。它不仅能覆盖整个光谱范围进行工作，其能效之高足以将其集成到一块芯片上，”该研究的资深作者、斯坦福大学人文与科学学院物理学副教授阿米尔 · 萨法维-纳伊尼（Amir Safavi-Naeini）表示。“这意味着，我们现在可以开发出比以往复杂得多的光学系统。”

除了低功耗，这款新型放大器在信号纯净度方面也表现出色。如同音频放大器可能会引入噪音，传统光学放大器在增强信号时也难免会加入不必要的噪声。研究团队证实，这款新型放大器所引入的噪声已降至理论最低水平。同时，它的带宽远超现有放大器，能够支持更宽广的光谱范围。这两大优势共同表明，该放大器能在减少干扰的同时，承载更海量的数据。

这种光学放大器由一束作为“泵”的光束中所储存的能量驱动，其性能直接取决于该光束的强度。研究人员通过巧妙的共振设计实现了能效的大幅提升。该研究的共同第一作者、萨法维-纳伊尼实验室的博士生德温 · 迪恩（Devin Dean）解释说：“通过回收驱动放大器的光能量，我们显著提高了它的效率，并且没有以牺牲其他性能为代价。”

这种设计原理类似于激光器中已广泛应用的“能量回收”技术，即通过将光折返来增强其强度，好比光在两块镜子之间被来回反射并不断增强。在这款新型放大器中，光在一个类似于环形赛道的谐振腔内产生并循环运行，不断累积至更高强度，从而能更有效地增强目标光束。这种设计能用更小的输入功率换来更高的光强，进而实现了卓越的能效。

由于其小巧的尺寸和极低的能耗，这款光学放大器完全可由电池驱动，这使得它有望应用于智能手机这类便携设备中。迪恩展望道：“一旦实现了这一点，它的应用前景将变得非常广阔。因为体积足够小，我们可以进行大规模生产，并用电池为它们供电。它们将可能被用于数据通信、生物传感、新型光源开发以及众多其他领域。”