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EPFL、超広帯域フォトニックチップが光信号をブースト

April, 24, 2025, Lausanne--EPFLとIBM Researchの科学者たちは、帯域幅と効率の両方で従来の光増幅器を大幅に上回るフォトニックチップに基づくコンパクトな光増幅器を開発した。このブレークスルーは、データセンタの相互接続、AIアクセラレータ、ハイパフォーマンスコンピューティングを再構築する可能性がある。

現代の通信ネットワークは、膨大な量のデータを転送するために光信号に依存している。しかし、弱い無線信号と同様に、これらの光信号は、情報を失わずに長距離を移動するために増幅する必要がある。最も一般的な増幅器であるエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)は、何十年にもわたってこの目的を果たしており、頻繁な信号再生を必要とせずに、より長い伝送距離を可能にしている。ただし、限られたスペクトル帯域幅内で動作するため、光ネットワークの拡大が制限される。

高速データ伝送に対する高まる需要に対応するため、研究者はより強力で柔軟性が高く、コンパクトなアンプを開発する方法を模索してきた。AIアクセラレータ、データセンタ、ハイパフォーマンスコンピューティングシステムは、増え続けるデータ量を処理する一方で、既存の光増幅器の限界が明らかになっている。

超広帯域増幅(より広い範囲の波長で動作する増幅器)の必要性は、かつてないほど切迫している。ラマンアンプなどの既存のソリューションは、ある程度の改善をもたらすが、それでも複雑すぎてエネルギーを大量に消費する。

今回、EPFLのTobias KippenbergとIBM Research Europe – ZurichのPaul Seidlerが率いる研究者は、これまでにないほどコンパクトな形で超広帯域信号増幅を実現するフォトニックチップベースの進行波パラメトリック増幅器(TWPA)を開発した。この新しい増幅器は、二酸化ガリウム・オン・ケイ素技術を使用して、約140nmの帯域幅で10dB以上の正味ゲインを達成した、これは従来のCバンドEDFAの3倍である。

ほとんどのアンプは、信号を強化するために希土類元素に依存している。代わりに、新しい増幅器は、光が材料と相互作用してそれ自体を増幅する特性である光の非線形性を利用する。研究チームは、小さなラセン状の導波路を慎重に設計することで、光波が互いに補強し合い、ノイズを低く抑えながら弱い信号を増幅する空間を作り出した。この方法により、アンプの効率が向上するだけでなく、コンパクトなチップサイズのデバイス内で、はるかに広い範囲の波長で動作できるようになる。

チームがリン化ガリウム(GaP)を選んだのは、その優れた光学特性のためである。まず、強い光学非線形性を示すため、通過する光波が相互作用して信号強度を高めることができる。第二に、屈折率が高いため、光を導波路内にしっかりと閉じ込めることができ、より効率的な増幅につながる。GaPを用いることで、わずか数cmの長さの導波路で高利得を達成し、増幅器の設置面積を大幅に削減し、次世代の光通信システムへの実用化を実現した。

研究チームは、チップベースのアンプがノイズを低く抑えながら最大35dBのゲインを達成できることを実証した。さらに、非常に弱い信号が増幅される可能性があり、アンプは6桁を超える入力電力を処理する。これらの機能により、新しいアンプは、高精度センシングなど、通信以外の様々なアプリケーションに高い適応性を発揮する。

また、この増幅器は、現代の光ネットワークとフォトニクスの2つの主要技術である光周波数コムとコヒーレント通信信号の性能を向上させ、このようなフォトニック集積回路が従来のファイバベースの増幅システムを凌駕できることを示した。

この新しいアンプは、データセンタ、AIプロセッサ、ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)システムの未来に広範な影響を及ぼし、これらすべてがより高速で効率的なデータ転送の恩恵を受けることができる。また、その用途はデータ伝送にとどまらず、光センシング、計測、さらには自動運転車で使用されるLiDARシステムにまで及ぶ。

複数のスパイラル導波路とその他のテスト構造を特徴とする、作製されたリン化ガリウム(GaP)フォトニックチップのフォーカススタックマクロ写真。チップ幅はわずか0.55cm。GaPの高いKerr非線形性、その高い屈折率、および無視できる2光子吸収により、このチップを使用して、S、C、およびL光通信帯域上で非常に効率的な光パラメトリック増幅と周波数変換が達成される。
写真提供:ニコライ・クズネツォフ(EPFL)