Свет выполняет много тяжелой работы в современной жизни — телевизоры, спутники, оптоволоконные кабели, благодаря которым вы читаете это предложение. Теперь физики из Стэнфорда выяснили, как придать свету немного дополнительной мощи, не сжигая при этом бюджет на электроэнергию. Они построили оптический усилитель размером примерно с кончик пальца, который может усиливать световые сигналы примерно в 100 раз, потребляя при этом всего несколько сотен милливатт.

Для контекста: оптические усилители работают как аудиоусилители — только они усиливают свет, а не басовитый плейлист вашего соседа. Традиционные компактные версии имеют тенденцию пожирать энергию, что делает их примерно такими же эффективными, как беговая дорожка, которая работает только под уклон. Новое устройство, описанное в журнале Nature, обходит эту проблему, перерабатывая большую часть энергии, необходимой для его работы.

«Мы впервые продемонстрировали по-настоящему универсальный маломощный оптический усилитель, который может работать во всем оптическом спектре и достаточно эффективен, чтобы быть интегрированным на чип», — сказал Амир Сафави-Наэини, старший автор исследования и доцент кафедры физики Стэнфорда. Перевод: теперь мы можем строить гораздо более сложные оптические системы, чем раньше, и им не понадобится собственная электростанция.

Усилитель сводит шум к минимуму — никому не нужен шипящий сигнал — и работает в более широком диапазоне длин волн, чем существующие модели, что означает, что он может передавать больше данных с меньшими помехами. Секретный ингредиент включает резонансную конструкцию, которая отправляет свет обратно на себя, как фотон, делающий круги по гоночной трассе. Накачивающий свет зацикливается, становится более интенсивным и более эффективно усиливает целевой сигнал.

«Перерабатывая энергию накачки, питающей этот усилитель, мы сделали его более эффективным, и это не сказалось на других его свойствах», — сказал Девин Дин, соавтор и аспирант лаборатории Сафави-Наэини. Поскольку устройство компактно и энергоэффективно, оно может работать от батареи и быть встроено в ноутбуки, смартфоны или другую мелкую электронику.

«Когда вы можете это сделать, возможности становятся действительно широкими, потому что они настолько малы, что их можно массово производить и питать от батарей», — сказал Дин. Потенциальные применения включают передачу данных, биосенсорику и создание новых источников света — в общем, все, что может использовать более сильный сигнал без более крупной вилки.

Исследование финансировалось Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов, NTT Research и Национальным научным фондом. Соавторы также включают Тэвона Парка, Мартина Фейера, Хьюберта Стоковски, Сэма Робисона, Александра Хванга, Люка Ци и Джейсона Херрманна. Дин, Парк, Сафави-Наэини и Стоковски подали патентную заявку, охватывающую методы достижения квантового преимущества в фотонных датчиках с ограниченным энергопотреблением.

Материалы предоставлены Стэнфордским университетом. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.