Ultralaajakaistainen fotonisiru tehostaa optisia signaaleja

Nykyaikaiset viestintäverkot käyttävät optisia signaaleja valtavien tietomäärien siirtämiseen. Mutta myös optisia signaaleja on vahvistettava, jotta ne voivat kulkea pitkiä matkoja informaatiota menettämättä.

Yleisimmät vahvistimet, erbium-seostetut kuituvahvistimet (EDFA:t), ovat palvelleet tätä tarkoitusta vuosikymmeniä. Ne toimivat kuitenkin rajoitetulla spektrin kaistanleveydellä, mikä rajoittaa optisten verkkojen laajentamista.

Vastatakseen nopean tiedonsiirron kasvavaan kysyntään tutkijat ovat etsineet tapoja kehittää tehokkaampia, joustavampia ja kompakteja vahvistimia.

Tarve ultralaajakaistaiselle vahvistukselle – vahvistimille, jotka toimivat useammilla aallonpituuksilla – on kiireellisempi kuin koskaan. Nykyiset ratkaisut, kuten Raman-vahvistimet, tarjoavat joitain parannuksia, mutta ne ovat edelleen liian monimutkaisiaja energiaa kuluttavia.

Nyt tutkijat, joita johtavat Tobias Kippenberg EPFL:stä ja Paul Seidler IBM Research Europe - Zürichistä, ovat kehittäneet fotoniisiin siruihin perustuvan matka-aaltoparametrisen vahvistimen (traveling-wave parametric amplifier, TWPA), joka saavuttaa ultralaajakaistaisen signaalinvahvistuksen ennennäkemättömän kompaktissa muodossa.

Käyttämällä galliumfosfidi-piidioksiditeknologiaa uusi vahvistin saavuttaa yli 10 dB:n nettovahvistuksen noin 140 nm:n kaistanleveydellä – kolme kertaa leveämpi kuin perinteinen C-kaistainen EDFA.

Useimmat vahvistimet käyttävät harvinaisten maametallien elementtejä signaalin vahvistamiseksi. Niiden sijaan uusi vahvistin käyttää optista epälineaarisuutta - ominaisuutta, jossa valo on vuorovaikutuksessa materiaalin kanssa vahvistaakseen itseään.

Suunnittelemalla huolellisesti pienen spiraalisen aaltoputken tutkijat loivat tilan, jossa valoaallot vahvistavat toisiaan, tehostaen heikkoja signaaleja pitäen samalla kohinan kohtuullisena. Tämä menetelmä ei ainoastaan tee vahvistimesta tehokkaampaa, vaan myös mahdollistaa sen toiminnan paljon laajemmalla aallonpituusalueella, kaikki kompaktissa, sirun kokoisessa laitteessa.

Ryhmä valitsi galliumfosfidin sen poikkeuksellisten optisten ominaisuuksien vuoksi. Ensinnäkin sillä on vahva optinen epälineaarisuus, mikä tarkoittaa, että sen läpi kulkevat valoaallot voivat olla vuorovaikutuksessa tavalla, joka lisää signaalin voimakkuutta. Toiseksi sillä on korkea taitekerroin, mikä mahdollistaa valon rajoittamisen tiukasti aaltoputken sisään, mikä johtaa tehokkaampaan vahvistukseen.

Galliumfosfidia käyttämällä tiedemiehet saavuttivat suuren vahvistuksen vain muutaman senttimetrin pituisella aaltoputkella, mikä pienensi merkittävästi vahvistimen jalanjälkeä ja teki siitä käytännöllisen seuraavan sukupolven optisissa viestintäjärjestelmissä.

Aiheesta aiemmin:

Tietoliikenteen tulevaisuus on atomisen ohut

Yhdistetty optinen lähetin ja vastaanotin

Elektroniikkaa optiseen kuituun