Ny optisk förstärkare kan snabba på datatrafiken
I takt med allt mer datatrafik växer behoven av effektiva kommunikationssystem. Forskare vid Chalmers tekniska högskola har nu utvecklat en förstärkare som ökar kapaciteten i fiberoptiska nätverk. Det kan även få betydelse för lasersystem som används inom sjukvården.
Fram till 2030 förväntas mängden datatrafik mer än fördubblas. Några anledningar är utvecklingen av AI och mycket användning av streamingtjänster och nya smarta enheter. Det här ökar 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.
Mer data kan skickas
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.
Forskare vid Chalmers har nu utvecklat en ny förstärkare som gör det möjligt att skicka betydligt mer data per sekund än vad dagens fiberoptiska system klarar.
– 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, i ett pressmeddelande.
Liten, känslig och kraftfull
Den nya förstärkaren är tillverkad av kiselnitrid. Den 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, enligt forskarna.
– 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 minskat 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 så pass stor bandbredd, säger Peter Andrekson.
Kan bidra till att sjukdomar upptäcks tidigare
Forskarna har placerat flera förstärkare på chipet. Eftersom 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, se faktaruta. Det öppnar på sikt 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.
Vetenskaplig artikel:
Ultra-broadband optical amplification using nonlinear integrated waveguides, Nature.
Mer om förstärkaren
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 också möjligheter att anpassa och använda förstärkaren inom andra våglängder. Genom att ändra utformningen på vågledarna finns 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.
