斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)出一種新型光學(xué)放大器，通過(guò)在諧振器中回收利用能量，實(shí)現(xiàn)了低功耗下的強(qiáng)大、低噪聲放大。

光支撐著當(dāng)今的眾多技術(shù)，從電視、衛(wèi)星到跨洲傳輸互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的光纖電纜。斯坦福大學(xué)的一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已開發(fā)出一種方法，將基于光的系統(tǒng)推向更高水平。他們?cè)O(shè)計(jì)的指尖大小的光學(xué)放大器能耗極低，并能保持全帶寬性能。

如同音頻放大器增強(qiáng)聲音一樣，光學(xué)放大器增加光信號(hào)的強(qiáng)度。目前許多緊湊型放大器需要大量電力才能運(yùn)行。這項(xiàng)發(fā)表在《自然》雜志上的新器件通過(guò)重復(fù)利用為其供電的大部分能量克服了這一限制，極大地提高了效率。

一顆光學(xué)放大器芯片

該研究的資深作者、斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院物理學(xué)副教授Amir Safavi-Naeini說(shuō)："我們首次展示了一種真正多功能、低功耗的光學(xué)放大器，它能在整個(gè)光譜范圍內(nèi)工作，并且效率足夠高，可以集成到芯片上，這意味著我們現(xiàn)在可以構(gòu)建比以前復(fù)雜得多的光學(xué)系統(tǒng)。"

高效率與芯片級(jí)集成

這種斯坦福大學(xué)開發(fā)的放大器可以將光信號(hào)的強(qiáng)度提高約100倍，同時(shí)僅消耗幾百毫瓦的功率，遠(yuǎn)低于同類尺寸器件。由于其兼具強(qiáng)大性能和緊湊尺寸，它可以靠電池供電并集成到筆記本電腦或智能手機(jī)中。

增強(qiáng)信號(hào)通常會(huì)引入不必要的噪聲，這會(huì)干擾數(shù)據(jù)傳輸。研究人員表明，他們的放大器將附加噪聲控制在最低限度。它還支持比現(xiàn)有緊湊型放大器更寬的帶寬，能夠處理更寬范圍的光頻率。這些特性共同轉(zhuǎn)化為更高的數(shù)據(jù)容量和更低的干擾。

這種放大器依賴于存儲(chǔ)在稱為"泵浦光"的光束中的能量。其有效性取決于泵浦光束的強(qiáng)度。

諧振器設(shè)計(jì)與能量回收

該研究的第一作者之一、薩法維-納伊尼實(shí)驗(yàn)室的博士生Devin Dean說(shuō)："通過(guò)回收為放大器供電的泵浦光能量，我們使其更加高效，而這并未以犧牲其其他特性為代價(jià)。"

據(jù)迪恩介紹，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)采用了一種類似于激光器設(shè)計(jì)的諧振結(jié)構(gòu)，作為"能量回收技巧"。在此類系統(tǒng)中，光被反射回自身，從而增強(qiáng)其強(qiáng)度，就像光在兩面鏡子之間來(lái)回反射時(shí)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)一樣。

在這種放大器中，泵浦光在一個(gè)諧振器內(nèi)產(chǎn)生，并在其中沿著類似跑道的環(huán)路循環(huán)。當(dāng)它沿著這條路徑傳播時(shí)，其強(qiáng)度不斷累積，從而能更有效地放大目標(biāo)信號(hào)。通過(guò)以較低的輸入功率產(chǎn)生更高的強(qiáng)度，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了顯著提高的效率。

電池供電設(shè)備與未來(lái)應(yīng)用

由于其降低的功率需求和微型尺寸，該放大器可以靠電池供電，并裝入智能手機(jī)大小的設(shè)備中。

Dean說(shuō)："當(dāng)你能做到這一點(diǎn)時(shí)，可能性就真的非常廣泛了，因?yàn)樗鼈內(nèi)绱酥?，你可以大?guī)模生產(chǎn)并用電池供電，它們可能用于數(shù)據(jù)通信、生物傳感、制造新光源，或者各種不同的應(yīng)用。"

審核編輯 黃宇