Ученые разработали новый тип лазерного усилителя, который может передавать информацию в 10 раз быстрее, чем современные технологии.
Лазерные усилители повышают интенсивность световых лучей. Этот конкретный усилитель в десять раз увеличивает скорость передачи данных за счёт расширения диапазона длин волн, на которых лазеры могут передавать информацию.
Объем информации, которую мы генерируем и передаем, растет с каждым днем. Из-за распространения стриминговых сервисов, умных устройств и генеративного искусственного интеллекта компания Nokia Bell Labs в своем отчете о глобальном сетевом трафике прогнозирует, что к 2030 году объем трафика данных удвоится.
Современные телекоммуникационные системы на основе оптики передают информацию с помощью лазерных импульсов, которые посылаются по оптоволоконным кабелям, представляющим собой тонкие стеклянные нити. Пропускная способность — объём передаваемой информации — определяется полосой пропускания усилителя (длиной волн света, которые он может усиливать). Таким образом, по мере увеличения объёма передаваемых данных пропускная способность становится критически важным фактором.
Для большинства лазеров, используемых в современных телекоммуникациях, таких как интернет-коммуникации, требуется усилитель. Они работают по принципу вынужденного излучения, при котором входящий фотон стимулирует испускание другого фотона с той же энергией и в том же направлении.
Теперь учёные разработали новый тип лазерной технологии, которая может передавать информацию с помощью высокоэффективного оптического усиления. Исследователи опубликовали результаты своей работы 9 апреля в журнале Nature.
«Усилители, которые в настоящее время используются в системах оптической связи, имеют полосу пропускания около 30 нанометров, — заявил ведущий автор исследования Петер Андрексон, профессор фотоники в Технологическом университете Чалмерса в Швеции. Цитата из заявления «Однако наш усилитель имеет полосу пропускания 300 нанометров, что позволяет ему передавать в десять раз больше данных в секунду, чем существующие системы».
Новый усилитель изготовлен из нитрида кремния — твёрдого керамического материала, устойчивого к высоким температурам. В усилителе используются спиралевидные волноводы для эффективного направления лазерных импульсов и устранения аномалий в сигнале. Технология также была минимизирована, чтобы на небольшом чипе можно было разместить несколько усилителей.
Исследователи предпочли спиральные волноводы другим типам волноводов, поскольку они позволяют создавать более длинные оптические пути на небольшой площади. Это усиливает полезные эффекты, такие как четырёхволновое смешение, которое происходит при объединении двух или более оптических частот для усиления выходного сигнала с минимальным уровнем шума (внешних помех, которые могут ухудшить качество сигнала).
Поскольку скорость света постоянна, сам лазерный луч распространяется не быстрее, чем луч обычного лазера. Однако более широкая полоса пропускания позволяет новому усилителю передавать в 10 раз больше данных, чем обычные лазеры.
В настоящее время усилитель работает в диапазоне длин волн от 1400 до 1700 нанометров, что соответствует коротковолновому инфракрасному диапазону. Следующим этапом исследования станет изучение его работы в других диапазонах длин волн, например в видимом свете (от 400 до 700 нанометров) и в более широком диапазоне инфракрасного света (от 2000 до 4000 нанометров).
Согласно заявлению, новый усилитель может найти применение в различных областях, включая медицинскую визуализацию, голографию, спектроскопию и микроскопию. Миниатюризация технологии также может сделать лазеры для световых приложений более компактными и доступными.
«Незначительные изменения в конструкции позволят усиливать видимый и инфракрасный свет, — сказал Андрексон. — Это значит, что усилитель можно будет использовать в лазерных системах для медицинской диагностики, анализа и лечения. Большая полоса пропускания позволяет проводить более точный анализ и визуализацию тканей и органов, что способствует более раннему выявлению заболеваний».