光は現代生活の重労働を担っている——テレビ、衛星、そしてあなたがこの文章を読めるようにする光ファイバーケーブル。今、スタンフォード大学の物理学者たちは、電気代を気にせずに光にちょっとしたパワーを追加する方法を編み出した。彼らは指先ほどの大きさの光増幅器を構築し、わずか数百ミリワットの消費電力で光信号を約100倍に強化できる。
参考までに、光増幅器はオーディオアンプのように機能する——ただし、隣のベースだらけのプレイリストではなく、光を増幅する。従来のコンパクト版は電力を大量に消費し、まるで下り坂でしか走れないトレッドミルのように効率が悪い。この新しいデバイスは、動作に必要なエネルギーの多くをリサイクルすることでこれを回避している。
「我々は初めて、真に多用途で低消費電力の光増幅器を実証しました。これは光スペクトル全体で動作し、チップに統合できるほど効率的です」と、研究の上級著者でスタンフォード大学物理学准教授のアミール・サファビ＝ナイーニ氏は述べた。言い換えれば、これまでよりもはるかに複雑な光学システムを構築でき、それらに専用の発電所は必要ない。
この増幅器はノイズを最小限に抑え——誰もヒスノイズのある信号は嫌だ——既存のモデルよりも広い波長範囲で動作するため、より多くのデータを干渉少なく運べる。秘密のソースは、光を自分自身に戻す共振設計で、まるで光子が競馬場を周回するようなものだ。ポンプ光がループし、より強くなり、ターゲット信号をより効率的に増幅する。
「この増幅器を駆動するポンプのエネルギーをリサイクルすることで、効率を向上させ、他の特性を犠牲にしていません」と、共同筆頭著者でサファビ＝ナイーニ研究室の博士課程学生デビン・ディーン氏は述べた。デバイスはコンパクトでエネルギー効率が高いため、バッテリーで動作し、ラップトップ、スマートフォン、その他の小型電子機器に組み込める。
「それができれば、可能性は本当に広がります。なぜなら、非常に小さいため大量生産でき、バッテリーで駆動できるからです」とディーン氏は述べた。潜在的な用途には、データ通信、バイオセンシング、新しい光源の作成などが含まれる——基本的に、より大きなプラグなしでより強い信号を必要とするものなら何でも。
この研究は、国防高等研究計画局、NTTリサーチ、全米科学財団の支援を受けた。共著者には、テウォン・パーク、マーティン・フェイヤー、ヒューバート・ストコウスキー、サム・ロビソン、アレクサンダー・ファン、ルーク・チー、ジェイソン・ハーマンも含まれる。ディーン、パーク、サファビ＝ナイーニ、ストコウスキーは、電力制約のあるフォトニックセンサーで量子優位性を達成する方法をカバーする特許出願を行っている。
資料提供：スタンフォード大学。注：内容はスタイルと長さのために編集されている場合がある。