Исследователи из Технологического университета Чалмерса, Швеция, представляют уникальный оптический усилитель, который, как ожидается, произведет революцию как в космической, так и в оптоволоконной связи. Новый усилитель обладает высокими характеристиками, достаточно компактен, чтобы его можно было интегрировать в микросхему размером всего несколько миллиметров, и, что особенно важно, не генерирует лишних шумов.
Новый компактный оптический усилитель в тысячи раз меньше своего предшественника. Предоставлено: Пин Чжао, Чжичао Е и Йен Страндквист / Технологический университет Чалмерса.
«Это можно сравнить с переключением со старого коммутируемого Интернета на современный широкополосный доступ с высокой скоростью и качеством», — говорит профессор Питер Андрэксон, руководитель лаборатории фотоники на факультете микротехнологии и нанонауки в Чалмерсе.
Оптическая связь позволяет передавать информацию на очень большие расстояния. Технология полезна в ряде приложений, таких как космическая связь и оптоволоконные кабели для интернет-трафика.
С помощью связи, основанной на свете, а не на радиоволнах, мы могли бы, например, быстро отправлять изображения с высоким разрешением с Марса. Информация, передаваемая лазерными лучами, может быть отправлена с высокой скоростью от передатчика на планете к приемнику на Земле или на Луне. Оптическая связь также позволяет нам использовать Интернет по всему миру — независимо от того, передается ли сигнал по оптоволоконным кабелям под морским дном или передается по беспроводной сети.
Поскольку свет, несущий информацию между двумя удаленными точками, теряет мощность по пути, необходимо большое количество оптических усилителей. Без усилителей до 99 процентов сигнала в оптоволоконном кабеле исчезло бы в пределах 100 километров.
Постоянная борьба с лишним шумом
Однако хорошо известная проблема оптической связи заключается в том, что эти усилители добавляют избыточный шум, который значительно ухудшает качество сигнала, который вы хотите отправить или получить. Теперь исследователи Чалмерса представляют чрезвычайно многообещающее решение препятствия, существовавшего десятилетиями.
Новый компонент изготовлен из нитрида кремния и состоит из девяти отдельных волноводов (слева). Каждый волновод состоит из 22 спиралей и может усиливать свет примерно в десять раз с коэффициентом шума всего 1,2 децибела. Каждая спираль (справа) имеет площадь 1 квадратный миллиметр, а форма обеспечивает компактную конструкцию усилителя. Предоставлено: Чжичао Е и Йен Страндквист / Технологический университет Чалмерса.
Технологический университет Чалмерса.
«Мы разработали первый в мире оптический усилитель, который значительно увеличивает дальность действия, чувствительность и характеристики оптической связи , не генерирует лишних шумов, а также достаточно компактен для практического использования», — говорит Пинг Чжао, постдок из Photonics. Лаборатория в Чалмерсе и один из ведущих авторов научной статьи, опубликованной в журнале Science Advances .
Усиление света в проекте основана на принципе , известном как эффект Керра, который до сих пор является единственным известным подходом , который усиливает свет , не вызывая значительного избыточного шума. Этот принцип был продемонстрирован и раньше, но никогда в таком компактном формате — предыдущие версии были слишком громоздкими, чтобы быть полезными.
Маленький, тихий и с высокой производительностью
Кроме того, новые усилители предлагают достаточно высокий уровень производительности, чтобы их можно было размещать более экономно, что делает их более приемлемым вариантом. Они также работают в режиме непрерывной волны (CW), а не только в импульсном режиме.
«То, что мы демонстрируем здесь, представляет собой первую работу в непрерывном режиме с чрезвычайно низким уровнем шума в компактном интегрированном чипе. Это дает реальную возможность для практического использования в различных приложениях. Поскольку можно интегрировать усилитель в очень маленькие модули, вы можете получить более дешевые решения с гораздо более высокой производительностью, что делает это очень интересным для коммерческих игроков в долгосрочной перспективе », — говорит руководитель исследования Питер Андрэксон.
«Новые результаты также открывают двери для совершенно новых приложений как в технологии, так и в науке», — объясняет Питер Андрэксон.
«Этот усилитель демонстрирует беспрецедентные характеристики. Мы считаем это важным шагом на пути к практическому использованию не только в коммуникациях , но и в областях, включая квантовые компьютеры, различные сенсорные системы и метрологию при проведении атмосферных измерений со спутников для мониторинга Земли».
Научная статья «Преодоление квантового предела оптического усиления в монолитных волноводах» опубликована в журнале Science Advances .
Дополнительная информация: Zhichao Ye et al, Преодоление квантового предела оптического усиления в монолитных волноводах, Science Advances (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abi8150
Иллюстрация: Хенрик Сандсьё / Технологический университет Чалмерса, Швеция
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК