Исследователи Стэнфордского университета создали оптический усилитель, который при размере с кончик пальца способен повышать интенсивность светового сигнала примерно в сто раз. Устройство потребляет всего несколько сотен милливатт мощности, что на порядок меньше энергии, необходимой для работы существующих компактных аналогов. Благодаря низкому энергопотреблению и миниатюрным габаритам такой усилитель в перспективе может устанавливаться в обычные ноутбуки, смартфоны и другие устройства с автономным питанием.
Разработка принадлежит группе физиков под руководством Амира Сафави-Найини, доцента кафедры физики Стэнфордского гуманитарно-научного факультета. Подробное описание технологии опубликовано в авторитетном научном журнале Nature. Работа выполнена при финансовой поддержке Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA), японской исследовательской организации NTT Research и Национального научного фонда.
Ключевая особенность нового усилителя заключается в использовании метода так называемой рекуперации энергии накачки. В традиционных конструкциях энергия луча, служащего источником питания, используется неэффективно. Стэнфордские физики применили резонаторную схему, в которой свет накачки циркулирует по замкнутому контуру, напоминающему гоночный трек, многократно усиливаясь. Такая архитектура позволяет достичь высокой интенсивности излучения при низких затратах энергии на входе. По словам одного из авторов работы, аспиранта Девина Дина, повторное использование энергии накачки повышает эффективность без ухудшения других характеристик прибора.
Помимо высокой энергоэффективности, устройство демонстрирует рекордно низкий уровень шума. Подобно тому, как аудиоусилители могут вносить искажения, оптические усилители обычно добавляют к сигналу паразитные шумы. В новой разработке уровень этих шумов снижен до теоретически возможного минимума. Также усилитель обладает широкой полосой пропускания, что позволяет ему работать с большим спектральным диапазоном и, соответственно, увеличить объем передаваемых данных без помех.
Технически прибор относится к классу интегральных оптических параметрических усилителей. Он построен на платформе из тонкопленочного ниобата лития. Благодаря использованию резонанса второй гармоники инженерам удалось достичь коэффициента усиления более 17 децибел (что соответствует усилению примерно в 50-100 раз по мощности) при входной мощности менее 200 милливатт. Это на порядок ниже功耗 аналогичных устройств предыдущего поколения. В эксперименте была подтверждена平坦 характеристика усиления в диапазоне 110 нанометров, а также близкий к квантовому пределу уровень собственных шумов.
Столь малые размеры и низкое энергопотребление открывают перед технологией широкие перспективы. Как отмечают разработчики, возможность серийного производства и питания от обычных батарей сделает эти усилители востребованными в самых разных областях. Они могут найти применение в системах высокоскоростной передачи данных, включая волоконно-оптические линии связи следующего поколения, в биологических сенсорах для экспресс-анализов, а также для создания новых типов источников света. Сами исследователи рассматривают свою работу как важный шаг на пути к созданию сложных интегральных фотонных схем, которые по своим возможностям превзойдут все существующие разработки.
Ранее та же научная группа уже демонстрировала успехи в области фотонных технологий. В их активе разработка интегрированных электрооптических преобразователей для миллиметрового диапазона волн, перестраиваемых лазеров на ниобате лития и эффективных параметрических генераторов света с рекордно низким порогом генерации. Нынешнее достижение продолжает эту линию, приближая момент, когда мощные оптические системы, ранее занимавшие лабораторные столы, станут повседневным компонентом портативной электроники.
