Развитие технологий искусственного интеллекта, растущая популярность потоковых сервисов и распространение новых интеллектуальных устройств являются одними из факторов, обусловливающих ожидаемое удвоение трафика данных к 2030 году. Этот всплеск повышает спрос на коммуникационные системы, способные управлять огромными объемами информации.

В настоящее время оптические системы связи используются для Интернета, телекоммуникаций и других услуг, требующих большого объема данных. Эти системы используют свет для передачи информации на большие расстояния. Данные передаются с помощью лазерных импульсов, которые с высокой скоростью проходят по оптическим волокнам, состоящим из тонких стеклянных нитей.

Для обеспечения того, чтобы информация сохраняла высокое качество и не перегружалась шумами, необходимы оптические усилители. Пропускная способность оптической системы связи в значительной степени определяется полосой пропускания усилителя, которая относится к диапазону длин волн света, который он может обрабатывать.

"Усилители, используемые в настоящее время в системах оптической связи, имеют полосу пропускания приблизительно 30 нанометров. Однако наш усилитель может похвастаться полосой пропускания в 300 нанометров, что позволяет ему передавать в десять раз больше данных в секунду, чем у существующих систем", - объясняет Питер Андрексон, профессор фотоники в Чалмерсе и ведущий автор исследования, опубликованного в Nature.

Маленький, чувствительный и мощный

Новый усилитель, изготовленный из нитрида кремния, оснащен несколькими небольшими спиралевидными соединенными волноводами, которые эффективно направляют свет с минимальными потерями. Сочетая этот материал с оптимизированным геометрическим дизайном, был достигнут ряд технических преимуществ.

"Ключевым нововведением этого усилителя является его способность увеличивать полосу пропускания в десять раз при одновременном снижении шума более эффективно, чем у любого другого типа усилителей. Эта способность позволяет ему усиливать очень слабые сигналы, такие как те, которые используются в космической связи", - говорит Питер Андрексон.

Кроме того, исследователи успешно миниатюризировали систему, поместив ее на чип размером всего в несколько сантиметров.

"Хотя создание усилителей на небольших чипах не является новой концепцией, это первый случай достижения такой большой полосы пропускания", - добавляет Питер Андрексон.

Способствует более раннему выявлению заболеваний

Исследователи интегрировали в чип несколько усилителей, что позволяет легко масштабировать концепцию по мере необходимости. Поскольку оптические усилители являются важнейшими компонентами всех лазеров, разработка исследователей из Чалмерса может быть использована для разработки лазерных систем, способных быстро изменять длину волны в широком диапазоне. Это новшество открывает множество возможностей для применения в обществе.

"Незначительные изменения в конструкции позволили бы также усилить видимый и инфракрасный свет. Это означает, что усилитель может быть использован в лазерных системах для медицинской диагностики, анализа и лечения. Большая пропускная способность позволяет проводить более точные анализы и визуализацию тканей и органов, облегчая раннее выявление заболеваний", - говорит Питер Андрексон.

В дополнение к своему широкому прикладному потенциалу усилитель также может помочь сделать лазерные системы компактнее и доступнее по цене.

"Этот усилитель предлагает масштабируемое решение для лазеров, позволяющее им работать на различных длинах волн, будучи при этом более экономичным, компактным и энергоэффективным. Следовательно, единую лазерную систему, основанную на этом усилителе, можно было бы использовать в нескольких областях. Помимо медицинских исследований, диагностики и лечения, это также может быть применено в визуализации, голографии, спектроскопии, микроскопии, а также для определения характеристик материалов и компонентов на совершенно разных длинах волн", - объясняет Питер Андрексон.

Более подробное представление о потенциале усилителя

Свет с различными длинами волн служит для различных применений. Исследователи продемонстрировали, что усилитель эффективно функционирует в диапазоне оптической связи от 1400 до 1700 нанометров. Благодаря широкой полосе пропускания в 300 нанометров усилитель потенциально может быть адаптирован для использования на других длинах волн. Изменяя конструкцию волновода, можно усиливать сигналы в других диапазонах, таких как видимый свет (400-700 нанометров) и инфракрасный свет (2000-4000 нанометров). Следовательно, в долгосрочной перспективе усилитель может быть использован в областях, где необходим видимый или инфракрасный свет, таких как диагностика заболеваний, лечение, визуализация внутренних органов и тканей, а также хирургические операции.

Усилитель был изготовлен в чистой комнате Чалмерса, лаборатории нанопроизводства Myfab Chalmers. Исследование финансировалось Шведским исследовательским советом и фондом Кнута и Алисы Валленбергов.