Ljus gör en hel del tungt arbete i det moderna livet – TV-apparater, satelliter, fiberoptiska kablar som låter dig läsa den här meningen. Nu har fysiker vid Stanford listat ut hur man ger ljus lite extra krut utan att bränna pengar på elräkningen. De byggde en optisk förstärkare ungefär lika stor som en fingertopp som kan förstärka ljussignaler med cirka 100 gånger samtidigt som den förbrukar bara några hundra milliwatt.

För sammanhanget fungerar optiska förstärkare som ljudförstärkare – förutom att de förstärker ljus istället för grannens bas-tunga spellista. Traditionella kompakta versioner brukar sluka ström, vilket gör dem ungefär lika effektiva som ett löpband som bara går nedför. Den nya enheten, som beskrivs i tidskriften Nature, kringgår detta genom att återvinna mycket av den energi den behöver för att fungera.

”Vi har för första gången demonstrerat en verkligt mångsidig, lågeffekts optisk förstärkare, en som kan fungera över hela det optiska spektrumet och är tillräckligt effektiv för att kunna integreras på ett chip”, säger Amir Safavi-Naeini, studiens seniorförfattare och docent i fysik vid Stanford. Översättning: vi kan nu bygga mycket mer komplexa optiska system än tidigare, och de kommer inte att behöva sitt eget kraftverk.

Förstärkaren håller bruset till ett minimum – ingen vill ha en fräsande signal – och fungerar över ett bredare våglängdsområde än befintliga modeller, vilket innebär att den kan bära mer data med mindre störningar. Hemligheten involverar en resonansdesign som skickar ljus tillbaka på sig själv, som en foton som gör varv runt en racerbana. Pumpljuset loopar runt, blir mer intensivt och förstärker målsignalen mer effektivt.

”Genom att återvinna energin från pumpen som driver denna förstärkare gjorde vi den mer effektiv, och detta kommer inte på bekostnad av dess andra egenskaper”, säger Devin Dean, medförstaförfattare och doktorand i Safavi-Naeinis labb. Eftersom enheten är kompakt och energieffektiv kan den drivas på ett batteri och stoppas in i bärbara datorer, smartphones eller annan småelektronik.

”När du kan göra det, då är möjligheterna verkligen ganska breda eftersom de är så små att du kan massproducera dem och driva dem med batterier”, säger Dean. Potentiella tillämpningar inkluderar datakommunikation, biosensing och att skapa nya ljuskällor – i princip allt som skulle kunna använda en starkare signal utan en större kontakt.

Forskningen stöddes av Defense Advanced Research Projects Agency, NTT Research och National Science Foundation. Medförfattare inkluderar även Taewon Park, Martin Fejer, Hubert Stokowski, Sam Robison, Alexander Hwang, Luke Qi och Jason Herrmann. Dean, Park, Safavi-Naeini och Stokowski har lämnat in en patentansökan som täcker metoder för att uppnå kvantfördel i strömbegränsade fotoniska sensorer.

Material tillhandahållet av Stanford University. Obs: Innehållet kan ha redigerats för stil och längd.