Los científicos de EPFL e IBM Research han desarrollado un amplificador óptico compacto basado en un chip fotónico que supera ampliamente a los amplificadores ópticos tradicionales tanto en ancho de banda como en eficiencia. Este avance podría remodelar las interconexiones del centro de datos, los aceleradores de IA y la informática de alto rendimiento.
Imagen: Una fotografía macro apilada de enfoque de un chip fotónico de fosfuro de galio fabricado con múltiples guías de onda espirales y otras estructuras de prueba. El ancho del chip es de solo 0,55 cm de ancho. Debido a la alta no linealidad de Kerr del fosfuro de galio, su alto índice de refracción y su insignificante absorción de dos fotones, la amplificación paramétrica óptica extremadamente eficiente y la conversión de frecuencia sobre las bandas de comunicación óptica S, C y L se logran utilizando este chip. Crédito: Nikolai Kuznetsov (EPFL).
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 dopada con erbio (EDFA), han servido para este propósito durante décadas, permitiendo distancias de transmisión más largas sin la necesidad de regeneración frecuente de la señal. Sin embargo, operan dentro de un ancho de banda espectral limitado, restringiendo la expansión de las redes ópticas.
Para satisfacer la creciente demanda de transmisión de datos de alta velocidad, los investigadores han estado buscando formas de desarrollar amplificadores más potentes, flexibles y compactos. A pesar de que los aceleradores de IA, los centros de datos y los sistemas informáticos de alto rendimiento manejan cantidades cada vez mayores de datos, las limitaciones de los amplificadores ópticos existentes son cada vez más evidentes.
La necesidad de amplificadores de banda ultra ancha — amplificadores que funcionen en un rango más amplio de longitudes de onda — es más apremiante que nunca. Las soluciones existentes, como los amplificadores Raman, ofrecen algunas mejoras, pero aún son demasiado complejas y tienen hambre 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 viajera basado en chip fotónico (TWPA) que logra la amplificación de señal de banda ultra ancha en una forma compacta sin precedentes. Utilizando la tecnología de fosfuro de galio sobre dióxido de silicio, el nuevo amplificador alcanza una ganancia neta de más de 10 dB a través de 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 tierras raras para fortalecer las señales. En cambio, el nuevo amplificador utiliza la no linealidad óptica —, una propiedad donde la luz interactúa con un material para amplificarse. Al diseñar cuidadosamente una pequeña guía de ondas en espiral, los investigadores crearon un espacio donde las ondas de luz se refuerzan entre sí, aumentando las señales débiles mientras mantienen el ruido bajo. Este método no solo hace que el amplificador sea más eficiente, sino que también le permite trabajar en un rango mucho más amplio 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 excepcionales propiedades ópticas. Primero, exhibe una fuerte no linealidad óptica, lo que significa que las ondas de luz que pasan a través de él pueden interactuar de una manera que aumenta la intensidad de la señal. En segundo lugar, tiene un alto índice de refracción, lo que permite que la luz se confine firmemente dentro de la guía de ondas, lo que lleva a una amplificación más eficiente. Mediante el uso de 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 de los amplificadores y haciéndola práctica para los sistemas de comunicación óptica de próxima generación.
Los investigadores demostraron que su amplificador basado en chip podría alcanzar hasta 35 dB de ganancia mientras mantiene el ruido bajo. Además, se podrían amplificar señales notablemente débiles, con el amplificador manejando potencias de entrada que varían en 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 — que muestran que tales circuitos integrados fotónicos pueden superar los sistemas tradicionales de amplificación basados en fibra.
El nuevo amplificador tiene implicaciones de gran alcance para el futuro de los centros de datos, procesadores de IA y sistemas informáticos 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 la detección óptica, la metrología e incluso los sistemas LiDAR utilizados en vehículos autónomos.
Otros contribuyentes
- EPFL Centro de Ciencia e Ingeniería Cuántica
- IBM Research Europe – Zurich
Financiación
Programa de investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea (MICROCOMB)
Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF)
Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea
Referencias
Kuznetsov, N., Nardi, A., Riemensberger, J., Davydova, A., Churaev, M., Seidler, P., Kippenberg, T. J. Un amplificador paramétrico de onda viajera basado en chip fotónico de banda ultra ancha. Nature 12 marzo 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08666-z
EPFL News. P. N. Traducido al español
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