La luce gioca un ruolo centrale nella tecnologia moderna, alimentando di tutto, dai televisori ai satelliti, fino ai cavi in fibra ottica che trasportano i dati internet in tutto il mondo. Ora, i fisici di Stanford hanno sviluppato un modo per spingere la luce ancora oltre. Hanno creato un amplificatore ottico compatto, grande quanto la punta di un dito, in grado di potenziare i segnali luminosi utilizzando pochissima energia e mantenendo la larghezza di banda completa.
Gli amplificatori ottici funzionano in modo molto simile agli amplificatori audio, con la differenza che amplificano la luce anziché il suono. Le versioni compatte tradizionali richiedono una notevole quantità di energia per funzionare, il che ne limita l’efficienza. Il nuovo dispositivo, descritto sulla rivista Nature, supera questo problema riutilizzando gran parte dell’energia necessaria al suo funzionamento.
“Abbiamo dimostrato, per la prima volta, un amplificatore ottico a basso consumo davvero versatile, in grado di operare su tutto lo spettro ottico e sufficientemente efficiente da poter essere integrato su un chip”, ha affermato Amir Safavi-Naeini, autore senior dello studio e professore associato di fisica presso la Facoltà di Scienze Umanistiche e Sociali di Stanford. “Questo significa che ora possiamo costruire sistemi ottici molto più complessi di quanto fosse possibile in precedenza.”
L’amplificatore sviluppato a Stanford è in grado di aumentare l’intensità di un segnale luminoso di circa 100 volte utilizzando solo poche centinaia di milliwatt di potenza. Si tratta di un consumo energetico di gran lunga inferiore rispetto a quello tipicamente richiesto da dispositivi simili. Grazie alla sua efficienza e alle dimensioni ridotte, potrebbe funzionare a batteria ed essere integrato in dispositivi come computer portatili o smartphone.
Rumore ridotto e maggiore larghezza di banda
Analogamente agli amplificatori audio, anche quelli ottici possono introdurre rumore indesiderato durante l’amplificazione dei segnali. I ricercatori hanno dimostrato che il loro progetto riduce al minimo questo rumore. Inoltre, funziona su una gamma di lunghezze d’onda più ampia rispetto agli amplificatori esistenti, il che significa che può trasportare più dati con meno interferenze.
Questo tipo di amplificatore si basa sull’energia immagazzinata in un fascio di luce che funge da “pompa”. Le sue prestazioni dipendono dall’intensità di tale fascio luminoso.
“Riciclando l’energia della pompa che alimenta questo amplificatore, lo abbiamo reso più efficiente, senza compromettere le sue altre proprietà”, ha affermato Devin Dean, co-primo autore dello studio e dottorando nel laboratorio di Safavi-Naeini.
Riciclare l’energia luminosa per segnali più forti
Il team ha raggiunto questa efficienza utilizzando un design risonante simile a metodi già impiegati nei laser. Dean l’ha descritto come un “trucco di riciclo energetico”. In parole semplici, il sistema rimanda la luce su se stesso, permettendole di aumentare di intensità nel tempo, proprio come la luce che rimbalza tra due specchi.
All’interno di questo amplificatore, la luce di pompaggio viene generata all’interno di un risonatore dove percorre un tragitto circolare continuo, simile a una pista da corsa. Man mano che compie il giro, la luce diventa più intensa, il che le consente di amplificare in modo più efficace il segnale target. Questo approccio produce un’uscita più potente richiedendo al contempo meno energia in ingresso.
Grazie alle sue dimensioni compatte e al suo basso consumo energetico, il dispositivo potrebbe funzionare a batteria ed essere integrato in piccoli dispositivi elettronici.
“Quando si riesce a farlo, le possibilità sono davvero ampie, perché sono così piccoli che si possono produrre in serie e alimentare con batterie”, ha detto Dean. “Potrebbero essere potenzialmente utilizzati per le comunicazioni dati, il biosensing, la creazione di nuove sorgenti luminose o una miriade di altre applicazioni.”
Possibili applicazioni e supporto alla ricerca
Tra gli altri coautori di Stanford figurano il co-primo autore Taewon Park, dottorando nel laboratorio di Safavi-Naeini; il professore di fisica applicata Martin Fejer; il ricercatore post-dottorato Hubert Stokowski; e i dottorandi Sam Robison, Alexander Hwang, Luke Qi e Jason Herrmann.
Dean, Park, Safavi-Naeini e Stokowski sono inventori di una domanda di brevetto che riguarda metodi per ottenere un vantaggio quantistico nei sensori fotonici a potenza limitata.
Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), da NTT Research e dalla National Science Foundation.
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