新型光学放大器可将光信号增强百倍

斯坦福大学设计出一种新型光学放大器，通过在谐振器中回收利用能量，实现了低功耗下的强大、低噪声放大。

光支撑着当今的众多技术，从电视、卫星到跨洲传输互联网数据的光纤电缆。斯坦福大学的一个物理学家团队现已开发出一种方法，将基于光的系统推向更高水平。他们设计的指尖大小的光学放大器能耗极低，并能保持全带宽性能。

如同音频放大器增强声音一样，光学放大器增加光信号的强度。目前许多紧凑型放大器需要大量电力才能运行。这项发表在《自然》杂志上的新器件通过重复利用为其供电的大部分能量克服了这一限制，极大地提高了效率。

一颗光学放大器芯片

该研究的资深作者、斯坦福大学人文与科学学院物理学副教授Amir Safavi-Naeini说："我们首次展示了一种真正多功能、低功耗的光学放大器，它能在整个光谱范围内工作，并且效率足够高，可以集成到芯片上，这意味着我们现在可以构建比以前复杂得多的光学系统。"

高效率与芯片级集成

这种斯坦福大学开发的放大器可以将光信号的强度提高约100倍，同时仅消耗几百毫瓦的功率，远低于同类尺寸器件。由于其兼具强大性能和紧凑尺寸，它可以靠电池供电并集成到笔记本电脑或智能手机中。

增强信号通常会引入不必要的噪声，这会干扰数据传输。研究人员表明，他们的放大器将附加噪声控制在最低限度。它还支持比现有紧凑型放大器更宽的带宽，能够处理更宽范围的光频率。这些特性共同转化为更高的数据容量和更低的干扰。

这种放大器依赖于存储在称为"泵浦光"的光束中的能量。其有效性取决于泵浦光束的强度。

谐振器设计与能量回收

该研究的第一作者之一、萨法维-纳伊尼实验室的博士生Devin Dean说："通过回收为放大器供电的泵浦光能量，我们使其更加高效，而这并未以牺牲其其他特性为代价。"

据迪恩介绍，为了实现这一目标，该团队采用了一种类似于激光器设计的谐振结构，作为"能量回收技巧"。在此类系统中，光被反射回自身，从而增强其强度，就像光在两面镜子之间来回反射时强度会增强一样。

在这种放大器中，泵浦光在一个谐振器内产生，并在其中沿着类似跑道的环路循环。当它沿着这条路径传播时，其强度不断累积，从而能更有效地放大目标信号。通过以较低的输入功率产生更高的强度，该系统实现了显著提高的效率。

电池供电设备与未来应用

由于其降低的功率需求和微型尺寸，该放大器可以靠电池供电，并装入智能手机大小的设备中。

Dean说："当你能做到这一点时，可能性就真的非常广泛了，因为它们如此之小，你可以大规模生产并用电池供电，它们可能用于数据通信、生物传感、制造新光源，或者各种不同的应用。"

审核编辑 黄宇