Ученые Стэнфорда создали чип, усиливающий свет в 100 раз при рекордно низком энергопотреблении

Физики из Стэнфордского университета разработали компактный оптический усилитель размером с кончик пальца, который способен усиливать световые сигналы, потребляя при этом минимальное количество энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Новое устройство работает по принципу, схожему с аудиоусилителями, но вместо звука усиливает свет. Традиционные компактные версии таких усилителей требуют значительной мощности для работы, что ограничивает их эффективность. Разработка Стэнфорда преодолевает это ограничение за счет повторного использования большей части энергии, необходимой для его работы.

«Мы впервые продемонстрировали по-настоящему универсальный маломощный оптический усилитель, который может работать во всем оптическом спектре и достаточно эффективен для интеграции на чипе. Это означает, что теперь мы можем создавать гораздо более сложные оптические системы, чем было возможно раньше», — заявил Амир Сафави-Наини, старший автор исследования и доцент кафедры физики Стэнфорда.

Разработанный усилитель может увеличивать интенсивность светового сигнала примерно в 100 раз, потребляя при этом всего несколько сотен милливатт мощности. Это значительно меньше энергии, чем требуется аналогичным устройствам. Благодаря своей эффективности и компактности, он может работать от батареи и быть встроен в такие устройства, как ноутбуки или смартфоны.

Как и их аудиоаналоги, оптические усилители могут вносить нежелательный шум при усилении сигналов. Исследователи показали, что их конструкция сводит этот шум к минимуму. Устройство также работает в более широком диапазоне длин волн, что позволяет передавать больше данных с меньшими помехами.

Высокая эффективность была достигнута благодаря резонансной конструкции, напоминающей методы, используемые в лазерах. Дэвин Дин, соавтор исследования, описал это как «трюк с переработкой энергии». Внутри усилителя свет накачки генерируется в резонаторе, где он движется по непрерывному круговому пути, подобно гоночной трассе. Петляя, свет становится более интенсивным, что позволяет ему более эффективно усиливать целевой сигнал.

«Когда вы можете это сделать, возможности становятся действительно широкими, потому что они настолько малы, что их можно массово производить и питать от батарей. Они потенциально могут использоваться для передачи данных, биосенсорики, создания новых источников света или множества других вещей», — добавил Дин.

Потенциальные области применения включают связь, биосенсорику и создание новых источников света. Исследование поддержали DARPA, NTT Research и Национальный научный фонд.