Forskare på Chalmers har utvecklat en optisk förstärkare i kiselnitrid (Si3N4) som de förväntar kunna revolutionera både rymd- och fiberkommunikation. Förstärkaren använder sig av Kerr-effekten vid förstärkning av ljus och uppnår på så sätt minimalt brus samt är så kompakt att den ryms på ett minimalt chip.
– Framsteget kan jämföras med att gå från ett äldre telefonmodem till ett modernt bredband med hög hastighet och kvalitet, säger forskningsledaren Peter Andrekson som är chef för fotonikavdelningen vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.
Fotograf: Henrik Sandsjö/Chalmers tekniska högskola
Professor Peter Andrekson är chef för fotonikavdelningen vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers tekniska högskola.
Optisk kommunikation bygger på att information överförs med hjälp av ljus istället för radiovågor. Till exempel skulle laserstrålar som skickas från en sändare på Mars till en mottagare på jorden snabbt kunna leverera högupplösta bilder. Optisk kommunikation gör också så att vi kan använda internet världen över – oavsett om signalen går i optiska fiberkablar under havsbotten eller överförs trådlöst.
Eftersom ljuset som bär informationen mellan två avlägsna punkter tappar i effekt under resans gång, behövs ett stort antal så kallade optiska förstärkare. De ser till att informationen når ända fram. Utan förstärkare försvinner uppemot 99 procent av signalen i en optisk fiberkabel redan efter 100 kilometer.
Lång kamp mot överskottsbruset
Ett välkänt problem vid optisk kommunikation är att förstärkarna ger ifrån sig ett brus. Detta så kallade överskottsbrus försämrar kvaliteten betydligt på den signalen man vill skicka eller ta emot. Forskare har försökt lösa problemet med överskottsbrus i tjugo års tid, men nu presenterar alltså Chalmersforskare resultat som visar vägen framåt.
– Vi har tagit fram en världsunik optisk förstärkare som inte genererar något överskottsbrus. Den visar också prov på en tidigare oöverträffad prestanda, säger professor Peter Andrekson, som har lett studien som nyligen publicerades i den vetenskapliga tidskriften Science Advances.
Den nya förstärkaren får plats i ett litet chip som endast tar några millimeter i anspråk, vilket kan jämföras med tidigare förstärkare som är tusentals gånger större.
Minimal, tyst och med hög prestanda
Den höga prestandan innebär också att det går att placera förstärkarna glesare i fiberoptiska system, vilket öppnar för mer kostnadseffektiva lösningar.
Enligt forskarna visar de nya resultaten också att det nu går att få en tillräckligt kompakt förstärkare som fungerar kontinuerligt. Tidigare har detta inte kunnat uppnås annat än under kortare tidsperioder i taget.
– Nu öppnas möjligheter att använda tekniken i en mängd praktiska applikationer. Eftersom det är möjligt att bygga in förstärkaren i mycket små moduler kan man få billigare lösningar med mycket bättre prestanda. Det borde vara mycket intressant för kommersiella aktörer på sikt, säger Peter Andrekson.
Han poängterar att de nya resultaten också öppnar dörrar till helt nya tillämpningsområden inom både teknik och vetenskap. Till exempel skulle förstärkarna kunna vara intressanta i såväl kvantdatorer som i instrument för atmosfäriska mätningar.
Fotografi/bild: Ping Zhao, Zhichao Ye och Yen Strandqvist/Chalmers tekniska högskola
Den nya optiska förstärkaren är tusentals gånger mindre än sin föregångare. Den är gjord av kiselnitrid och är integrerad i ett tvåcentimeterschip. Förstärkaren består av nio vågledare som fungerar som separata förstärkare. Varje vågledare – som i sin tur är uppbyggd av 22 små spiraler – motsvarar en 75 centimeter hög cylinder innehållande nästan en halv kilometer fiberkabel.
Mer om forskningen
Den vetenskapliga artikeln “Overcoming the quantum limit of optical amplification in monolithic waveguides” har publicerats i Science Advances. Studien har genomförts av Zhichao Ye, Ping Zhao, Krishna Twayana, Magnus Karlsson, Victor Torres-Company och Peter Andrekson. Forskarna är verksamma vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.
Ljusförstärkningen som forskarna presenterar bygger på en princip – Kerr-effekten – som hittills är det enda kända tillvägagångssättet för att förstärka ljus utan att samtidigt orsaka betydande överskott av brus. Principen är inte ny och har redan visats i skrymmande enheter, men aldrig tidigare på en så kompakt plattform. Den nya förstärkaren är gjord av materialet kiselnitrid.
Forskningsprojektet är finansierat Vetenskapsrådet (VR-2015-00535 och VR-2020-00453) Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och Horisont 2020 Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network Microcomb (GA 812818).
