Ein Team von Physikern der Stanford University gab kürzlich bekannt, dass sie einen neuen optischen Verstärker entwickelt haben, der nur etwa die Größe einer Fingerspitze hat. Es kann die Intensität optischer Signale um etwa das Hundertfache erhöhen und dabei nur wenige Hundert Milliwatt Strom verbrauchen, während gleichzeitig geringes Rauschen und die Leistung bei voller Bandbreite erhalten bleiben, was neue Möglichkeiten für zukünftige integrierte photonische Chips und batteriebetriebene Geräte eröffnet. Relevante Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Optische Verstärker funktionieren wie Leistungsverstärker in Audiosystemen und werden zur Verstärkung optischer Signale eingesetzt. Sie sind ein wichtiges Bindeglied in verschiedenen optischen Technologien wie der Glasfaserkommunikation und der Satellitenkommunikation. Derzeit übliche kompakte optische Verstärker weisen im Allgemeinen einen hohen Stromverbrauch, ein hohes Rauschen und Einschränkungen bei der Integration in Chips auf. Der vom Stanford-Team vorgeschlagene Plan konzentriert sich auf eine deutliche Verbesserung der Effizienz durch ein „Energierückgewinnungs“-Design und eine Reduzierung des Energieverbrauchs ohne Einbußen bei Bandbreite und Geräuschleistung.
Amir Safavi-Naeini, korrespondierender Autor der Arbeit und außerordentlicher Professor für Physik an der School of Humanities and Sciences der Stanford University, sagte, dass dies das erste Mal sei, dass ein neuer Typ eines optischen Verstärkers entwickelt werde, der wirklich vielseitig und stromsparend sei. Es kann ein breites Spektrum an Bändern im optischen Spektrum abdecken und ist effizient genug, um auf einem Chip integriert zu werden, und bietet so eine Grundlage für den Aufbau komplexerer optischer Systeme.
Nach Angaben des Forschungsteams kann der Verstärker die Intensität des optischen Eingangssignals um etwa das Hundertfache verstärken und dabei eine kompakte Größe auf Chipebene beibehalten. Es benötigt nur Hunderte Milliwatt Leistung, was den Energieverbrauch im Vergleich zu ähnlichen Geräten deutlich senkt. Aufgrund seiner geringen Größe und seines geringen Stromverbrauchs wird erwartet, dass das Gerät direkt mit Batterien betrieben und in tragbare Endgeräte wie Laptops und Smartphones integriert wird. Während des Signalverstärkungsprozesses kann das neue Gerät außerdem zusätzliches Rauschen effektiv unterdrücken und eine größere Betriebsbandbreite als bestehende Kompaktverstärker bieten, wodurch ein breiterer Bereich optischer Frequenzen unterstützt, die Datenkapazität erhöht und Interferenzen reduziert werden.
Der Kern dieses Verstärkers liegt in der Energierückgewinnung und Nutzung des „Pumplichts“. Im herkömmlichen Design dient das Pumpenlicht nur als Antriebsmedium und seine Energienutzungseffizienz ist begrenzt. Das Stanford-Team nutzt jedoch eine Resonanzstruktur, um das Pumplicht im System zirkulieren zu lassen und es kontinuierlich zu verstärken, wodurch eine höhere Feldstärke bei geringerer Eingangsleistung erreicht wird. Devin Dean, Co-Erstautor der Arbeit und Doktorand in der Safavi-Naeini-Forschungsgruppe, wies darauf hin, dass das Team durch die Wiederverwendung von Pumpenergie eine Verbesserung der Verstärkereffizienz erreichte, ohne andere wichtige Leistungsindikatoren zu opfern.
Konkret nutzten die Forscher eine Struktur ähnlich einem Laser-Resonanzhohlraum im Gerät, um „Licht zu sich selbst zurück zu reflektieren“, wodurch es sich wiederholt im Hohlraum hin und her bewegt und allmählich an Intensität aufbaut. Bei diesem Design zirkuliert das Pumplicht in einem Ringresonator in Form einer „Rennstrecke“ und nimmt entlang der geschlossenen Schleife kontinuierlich zu, um eine effizientere Verstärkung des Zielsignals zu erzielen. Diese „optische Rennbahn“-Struktur ermöglicht es dem System, eine höhere Pumpintensität bei geringerer Eingangsenergie zu erreichen, was die Gesamtenergieeffizienz deutlich verbessert.
Dank des geringeren Stromverbrauchs und der Verkleinerung auf Chipebene wird erwartet, dass dieser Verstärker in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien eingesetzt wird, darunter Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation, Biosensorik und die Entwicklung neuer Lichtquellen. Dean sagte, sobald ein solches Gerät in Massenproduktion hergestellt und mit Batterien betrieben werden könne, werde sein Anwendungsbereich sehr breit sein, da es klein genug sei und in verschiedenen Endgeräten stapelweise eingesetzt werden könne.
Die Forschungsarbeit trägt den Titel „Low-power Integrated Optical Amplification through Second-Harmonic Resonance“ und die Autoren stammen von der Stanford University und Partnerinstitutionen. Die Forschungsarbeit wurde von der U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Japans NTT Research und der U.S. National Science Foundation finanziert.
Zusammengestellt von /ScitechDaily