Den kraftigt ökande datatrafiken ställer allt högre krav på kommunikationssystemens kapacitet. I en artikel i ansedda tidskriften Nature presenterar ett forskarlag från Chalmers en ny förstärkare som gör det möjligt att skicka tio gånger mer data per sekund än vad dagens fiberoptiska system klarar.
AI-teknologins utveckling, ett allt större användande av streamingtjänster och nya smarta enheter är några av anledningarna till att mängden datatrafik väntas mer än fördubblas fram till år 2030. Därmed växer behovet av kommunikationssystem som kan hantera enorma mängder information.
För internet, telekommunikation och andra dataintensiva tjänster används idag optiska kommunikationssystem som med hjälp av ljus skickar information över väldigt långa avstånd. Informationen överförs via laserpulser och färdas i hög hastighet genom en optisk fiber bestående av en tunn tråd av glas.
För att informationen ska hålla tillräckligt hög kvalitet och inte drunkna i brus, behövs optiska förstärkare. Hur mycket data ett optiskt kommunikationssystem kan överföra per sekund bestäms till stor del av förstärkarens bandbredd, det vill säga hur brett spektrum av ljusets våglängder den kan hantera.
– De förstärkare som används i optiska kommunikationssystem idag har en bandbredd på ungefär 30 nanometer. Vår förstärkare har en bandbredd på 300 nanometer, vilket gör det möjligt att överföra tio gånger mer data per sekund än idag, säger Peter Andrekson, professor i fotonik vid Chalmers och huvudförfattare till studien i Nature.
Liten, känslig och kraftfull
Den nya förstärkaren är tillverkad av kiselnitrid och är utrustad med flera små spiralformade och sammankopplade vågledare, strukturer som leder ljuset i en viss riktning med hög effektivitet och minimal förlust. Genom att kombinera materialet med en optimerad geometrisk design har flera tekniska fördelar uppnåtts.
– Framgångskonceptet med den här förstärkaren är att den både tiofaldigar bandbredden och reducerar brus bättre än alla andra typer av förstärkare. Det innebär att den också kan förstärka väldigt svaga signaler, till exempel för kommunikation i rymden, säger Peter Andrekson.
Dessutom har forskarna lyckats minska systemets storlek till ett chip på några centimeter.
– Att bygga förstärkare på små chip är inte ett nytt koncept, men det här är första gången dessa har kunnat tillverkas med såpass stor bandbredd, säger Peter Andrekson.
Kan bidra till att sjukdomar upptäcks tidigare
På chipet har forskarna placerat flera förstärkare, vilket innebär att konceptet enkelt kan skalas upp efter behov. Då optiska förstärkare är nyckelkomponenter i alla lasrar, kan Chalmersforskarnas koncept användas för att bygga lasersystem som snabbt kan ändra våglängd över ett mycket stort intervall*. Det öppnar för fler användningsområden i samhället.
– Mindre justeringar i utformningen skulle göra det möjligt att förstärka också synligt och infrarött ljus. Det innebär att förstärkaren även skulle kunna användas i lasersystem för exempelvis medicinsk diagnostik, analys och behandling. En stor bandbredd innebär att det går att göra bättre analyser och avbildningar av till exempel vävnader och organ, vilket gör det möjligt att kunna upptäcka sjukdomar tidigare, säger Peter Andrekson.
Förutom förstärkarens breda tillämpningspotential, kan den även bidra till att göra lasersystem både mindre och billigare.
– Den här förstärkaren innebär en skalbar lösning för lasrar som har större möjligheter att fungera vid olika våglängder, och som samtidigt är billigare, kompaktare och mer energieffektiv. Det innebär att ett och samma lasersystem, baserat på denna förstärkare, skulle kunna användas på flera håll. Utöver medicinsk forskning, diagnostik och behandling skulle det även kunna handla om avbildning, holografi, spektroskopi, mikroskopi samt material- och komponentkarakterisering, vid helt andra våglängder, säger Peter Andrekson.
Mer om förstärkarens potential:
* Ljus vid olika våglängder har olika tillämpningar. Forskarna har kunnat visa att förstärkaren fungerar för våglängder i det spektrum som används för just optisk kommunikation: från 1400 till 1700 nanometer. Med sin bandbredd på hela 300 nanometer finns det också möjligheter att anpassa och använda förstärkaren inom andra våglängder. Genom att ändra utformningen på vågledarna finns det potential att förstärka signaler inom exempelvis synligt ljus (som varierar mellan 400 och 700 nanometer) och infrarött ljus (som förekommer i ett spektrum mellan 2000 och 4000 nanometer). Det innebär på sikt att förstärkaren även kan användas inom områden där synligt eller infrarött ljus är avgörande, till exempel för att diagnostisera sjukdomar, genomföra behandlingar, visualisera inre organ och vävnader samt utföra kirurgiska operationer.
Mer om studien:
Läs den vetenskapliga artikeln “Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides” i Nature. Författarna till studien är, Ping Zhao, Vijay Shekhawat, Marcello Girardi, Zonglong He, Victor Torres-Company, Peter A. Andrekson, verksamma vid avdelningen för fotonik på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers tekniska högskola. Ping Zhao är nu verksam vid College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu, Kina.
Förstärkaren är tillverkad i Chalmers renrum, Nanofabrikationslaboratoriet Myfab Chalmers. Studien är finansierad av Vetenskapsrådet och Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
