Licht leistet in der modernen Welt einen wichtigen Beitrag, indem es alle Arten von Informationstechnologie ermöglicht, von Fernsehern über Satelliten bis hin zu Glasfaserkabeln, die das Internet über Ozeane hinweg übertragen. Physiker der Stanford University haben kürzlich einen Weg gefunden, dieses Licht noch effizienter zu nutzen: mit einem optischen Verstärker, der nur wenig Energie benötigt, ohne dass dabei Bandbreite verloren geht, und das alles auf einem Gerät von der Größe einer Fingerspitze.
Ähnlich wie Tonverstärker nehmen optische Verstärker ein Lichtsignal auf und verstärken es. Derzeitige kleine optische Verstärker benötigen viel Strom, um zu funktionieren. Der neue optische Verstärker löst dieses Problem durch eine Methode, die im Wesentlichen die zur Stromversorgung verwendete Energie recycelt.
„Wir haben zum ersten Mal einen wirklich vielseitigen, stromsparenden optischen Verstärker vorgestellt, der über das gesamte optische Spektrum hinweg funktioniert und so effizient ist, dass er auf einem Chip integriert werden kann“, sagte Amir Safavi-Naeini, leitender Autor der Studie und außerordentlicher Professor für Physik an der Stanford School of Humanities and Sciences. „Das bedeutet, dass wir jetzt viel komplexere optische Systeme bauen können als bisher möglich.“
Das in Stanford entwickelte Gerät erreicht eine etwa 100-fache Verstärkung, das heißt es erhöht die Intensität eines Lichtsignals, und verbraucht dabei nur wenige hundert mW Strom – ein Bruchteil dessen, was für bestehende optische Verstärker ähnlicher Größe normalerweise erforderlich ist. Dank dieser Effizienz und seiner geringen Größe könnte der Verstärker mit einer Batterie betrieben und in Laptops und Smartphones eingesetzt werden.
Weniger Stromverbrauch und weniger Rauschen
Genau wie Tonverstärker neigen auch optische Verstärker dazu, beim Verstärken eines Signals unerwünschtes Rauschen hinzuzufügen. Die Forscher haben gezeigt, dass dieser Verstärker so wenig Rauschen wie möglich hinzufügt. Außerdem verfügt er über eine größere Bandbreite als aktuelle Verstärker, was bedeutet, dass er ein größeres optisches Spektrum unterstützt. Zusammengenommen bedeutet dies, dass er eine größere Datenübertragungskapazität bei weniger Störungen aufweist.
Diese Art von optischem Verstärker wird durch die in einem Lichtstrahl gespeicherte Energie angetrieben, der als eine Art „Pumpe” fungiert, und seine Leistung hängt von der Intensität dieses Lichtstrahls ab. „Durch die Rückgewinnung der Energie der Pumpe, die diesen Verstärker antreibt, haben wir ihn effizienter gemacht, ohne dass dies zu Lasten seiner anderen Eigenschaften geht“, sagte Devin Dean, Co-Erstautor der Studie und Doktorand in Safavi-Naeinis Labor.
Das Team erreichte dies durch die Verwendung eines Resonanzdesigns, das laut Dean bereits bei Lasern als „Energie-Recycling-Trick“ eingesetzt wird. Dabei wird das Licht auf sich selbst zurückgeworfen, wodurch seine Intensität erhöht wird, ähnlich wie wenn Licht zwischen zwei Spiegeln gefangen wird. In diesem speziellen Verstärker wird das Pumplicht innerhalb eines Resonators erzeugt – es bewegt sich in einer kreisförmigen Schleife wie auf einer Rennbahn und baut sich zu höheren Intensitäten auf, wodurch es den gewünschten Strahl besser verstärken kann. Das Design bietet mehr Intensität bei geringerer Eingangsleistung, was es effizienter macht.
Geringe Größe für vielseitige Anwendungen
Aufgrund seiner geringen Größe und seines geringeren Energiebedarfs könnte der optische Verstärker mit einer Batterie betrieben werden – und somit in einem Gerät verwendet werden, das so klein ist wie ein Smartphone.
„Wenn man das schafft, sind die Möglichkeiten wirklich sehr vielfältig, denn sie sind so klein, dass man sie in Massenproduktion herstellen und mit Batterien betreiben kann“, sagte Dean. „Sie könnten potenziell für die Datenkommunikation, die Biosensorik, die Herstellung neuer Lichtquellen oder eine Vielzahl anderer Dinge verwendet werden.“
