Een team natuurkundigen van Stanford University heeft onlangs aangekondigd dat ze een nieuwe optische versterker hebben ontwikkeld die slechts ongeveer zo groot is als een vingertop. Het kan de intensiteit van optische signalen ongeveer 100 keer verhogen terwijl het slechts een paar honderd milliwatt aan stroom verbruikt, terwijl de ruis laag blijft en de prestaties op volledige bandbreedte worden uitgevoerd, waardoor nieuwe mogelijkheden worden geopend voor toekomstige geïntegreerde fotonische chips en apparaten op batterijen. Relevante resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Optische versterkers functioneren als eindversterkers in audiosystemen en worden gebruikt om de intensiteit van optische signalen te verbeteren. Ze vormen een belangrijke schakel in verschillende op optische technologieën gebaseerde technologieën, zoals glasvezelcommunicatie en satellietcommunicatie. Momenteel hebben gewone compacte optische versterkers over het algemeen een hoog energieverbruik, veel ruis en beperkingen bij de integratie in chips. Het door het Stanford-team voorgestelde plan is gericht op het aanzienlijk verbeteren van de efficiëntie door middel van een "energieterugwinning"-ontwerp en het verminderen van het energieverbruik zonder concessies te doen aan de bandbreedte en de geluidsprestaties.
Amir Safavi-Naeini, corresponderend auteur van het artikel en universitair hoofddocent natuurkunde aan de School of Humanities and Sciences van Stanford University, zei dat dit de eerste keer is dat een nieuw type optische versterker wordt gerealiseerd dat echt veelzijdig en energiezuinig is. Het kan een breed scala aan banden in het optische spectrum bestrijken en is efficiënt genoeg om op een chip te worden geïntegreerd, waardoor een basis wordt geboden voor het bouwen van complexere optische systemen.
Volgens het onderzoeksteam kan de versterker de intensiteit van het optische ingangssignaal ongeveer 100 keer versterken, terwijl de chip toch compact blijft. Het vereist slechts honderden milliwatt aan stroom, waardoor het energieverbruik aanzienlijk wordt verminderd in vergelijking met vergelijkbare apparaten. Vanwege het kleine formaat en het lage stroomverbruik wordt verwacht dat het apparaat rechtstreeks wordt gevoed door batterijen en wordt ingebed in draagbare terminals zoals laptops en smartphones. Tijdens het signaalversterkingsproces kan het nieuwe apparaat ook effectief extra ruis onderdrukken en een grotere bandbreedte bieden dan bestaande compacte versterkers, waardoor een groter bereik aan optische frequenties wordt ondersteund, de datacapaciteit wordt vergroot en interferentie wordt verminderd.
De kern van deze versterker ligt in het terugwinnen van energie en het benutten van ‘pomplicht’. In het traditionele ontwerp dient het pomplicht alleen als aandrijfmedium en is de efficiëntie van het energieverbruik beperkt. Het Stanford-team gebruikt echter een resonante structuur om het pomplicht in het systeem te laten circuleren en continu te versterken, waardoor een hogere veldsterkte wordt verkregen met een lager ingangsvermogen. Devin Dean, co-eerste auteur van het artikel en promovendus in de Safavi-Naeini-onderzoeksgroep, wees erop dat het team door het recyclen van pompenergie een verbetering van de versterkerefficiëntie bereikte zonder andere belangrijke prestatie-indicatoren op te offeren.
Concreet gebruikten de onderzoekers een structuur die lijkt op een laserresonante holte in het apparaat om "licht terug naar zichzelf te reflecteren", waardoor het herhaaldelijk heen en weer beweegt in de holte en geleidelijk de intensiteit opbouwt. In dit ontwerp circuleert het pomplicht in een ringresonator in de vorm van een "racebaan" en neemt voortdurend toe langs de gesloten lus om een efficiëntere versterking van het doelsignaal te bieden. Dankzij deze "optische racebaan"-structuur kan het systeem een hogere pompintensiteit bereiken bij een lagere inputenergie, waardoor de algehele energie-efficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd.
Dankzij het lagere stroomverbruik en de krimp op chipniveau wordt verwacht dat deze versterker zal worden geïmplementeerd in een verscheidenheid aan toepassingsscenario's, waaronder snelle datacommunicatie, biosensoren en de ontwikkeling van nieuwe lichtbronnen. Dean zei dat zodra een dergelijk apparaat in massa kan worden geproduceerd en door batterijen kan worden aangedreven, de toepassingsruimte ervan zeer breed zal zijn, omdat het klein genoeg is en in batches in verschillende eindapparaten kan worden ingezet.
Het onderzoeksartikel is getiteld "Low-power geïntegreerde optische versterking door middel van tweede harmonische resonantie" en de auteurs zijn afkomstig van Stanford University en partnerinstellingen. Het onderzoekswerk is gefinancierd door het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), het Japanse NTT Research en de Amerikaanse National Science Foundation.
Samengesteld uit /ScitechDaily