حقبة جديدة من الاتصالات البصرية: إمكانات المضخمات البارامترية
تعد القدرة على تضخيم الإشارات الضوئية في الألياف الضوئية إلى حدودها الكمومية بمثابة تقدم تكنولوجي حاسم يدعم مجتمع المعلومات الحديث لدينا.
يتم استخدام نطاق الطول الموجي 1550 نانومتر في الاتصالات الضوئية لأنه لا يحتوي فقط على خسارة منخفضة في ألياف السيليكا الضوئية (التي تم منحها جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2008)، ولكن أيضًا لأنه يسمح بتضخيم هذه الإشارات، وهو أمر ضروري للتحويل.
اتصالات الألياف البصرية المحيطية.
يلعب التضخيم البصري دورًا رئيسيًا في جميع التقنيات القائمة على الليزر تقريبًا مثل الاتصالات الضوئية، المستخدمة على سبيل المثال في مراكز البيانات للتواصل بين الخوادم وبين القارات من خلال روابط الألياف العابرة للمحيطات، لتطبيقات متنوعة مثل الموجة المستمرة ذات التردد المعدل (FMCW). LiDAR – تقنية ناشئة يمكنها اكتشاف وتتبع الأجسام إلى مسافة أبعد وأسرع وبدقة أكبر من أي وقت مضى.
اليوم، تستخدم المكبرات الضوئية القائمة على أيونات الأرض النادرة مثل الإربيوم ، وكذلك أشباه الموصلات III-V، على نطاق واسع في تطبيقات العالم الحقيقي.
يعتمد هذان النهجان على التضخيم عن طريق التحولات الضوئية.
ولكن هناك نموذج آخر لتضخيم الإشارة الضوئية: مكبرات الصوت البارامترية للموجة المتنقلة، والتي تحقق تضخيم الإشارة عن طريق تغيير “معلمة” نظام صغير، مثل السعة أو اللاخطية لخط النقل.
المكبرات البصرية البارامترية
من المعروف منذ الثمانينيات أنه يمكن أيضًا تسخير اللاخطية الجوهرية للألياف الضوئية لإنشاء مضخمات بارامترية ضوئية ذات موجة متنقلة، والتي يكون كسبها مستقلاً عن التحولات الذرية أو أشباه الموصلات، مما يعني أنه يمكن أن يكون نطاقًا عريضًا ويغطي أيًا تقريبًا. الطول الموجي.
لا تعاني مكبرات الصوت البارامترية أيضًا من الحد الأدنى من إشارة الإدخال، مما يعني أنه يمكن استخدامها لتضخيم كل من الإشارات الضعيفة وقوة الإدخال الكبيرة في وضع واحد.
وأخيرًا، يمكن تصميم طيف الكسب عن طريق تحسين هندسة الدليل الموجي وهندسة التشتت، مما يوفر مرونة هائلة في التصميم للأطوال الموجية المستهدفة والتطبيقات.
الأكثر إثارة للاهتمام، يمكن اشتقاق الكسب البارامتري في نطاقات الطول الموجي غير العادية التي تكون بعيدة عن متناول أشباه الموصلات التقليدية أو الألياف المخدرة بالأرض النادرة. التضخيم البارامترى محدود الكم بطبيعته، ويمكنه حتى تحقيق تضخيم بلا ضوضاء.
قيود السيليكون
على الرغم من ميزاتها الجذابة، تتراكم المضخمات الضوئية في الألياف من خلال متطلبات طاقة المضخة العالية جدًا الناتجة عن ضعف كير اللاخطية للسيليكا.
على مدى العقدين الماضيين، مكنت التطورات في المنصات الضوئية المتكاملة من تعزيز اللاخطية الفعالة لـ Kerr بشكل كبير والتي لا يمكن تحقيقها في ألياف السيليكا ولكنها لم تحقق مكبرات تعمل بالموجة المستمرة.
يقول البروفيسور توبياس كيبينبيرج ، رئيس مختبر EPFL للضوئيات وقياسات الكم في EPFL: “العمل في نظام الموجة المستمرة ليس مجرد” إنجاز أكاديمي “.
“في الواقع، إنه أمر بالغ الأهمية للتشغيل العملي لأي مكبر للصوت، لأنه يعني أنه يمكن تضخيم أي إشارات إدخال – على سبيل المثال، المعلومات المشفرة بصريًا، والإشارات من LiDAR ، وأجهزة الاستشعار، وما إلى ذلك.
الوقت والطيف المستمر، والسفر- يعد تضخيم الموجة أمرًا محوريًا للتنفيذ الناجح لتقنيات مكبر الصوت في أنظمة الاتصالات الضوئية الحديثة والتطبيقات الناشئة للاستشعار البصري والمدى “.
رقاقة فوتونية اختراق
عالجت دراسة جديدة بقيادة الدكتور يوهان ريمنبرجر في مجموعة كيبنبرغ التحدي من خلال تطوير مضخم موجة متنقلة على أساس دائرة ضوئية متكاملة تعمل في النظام المستمر.
يقول ريمنسبيرجر: “نتائجنا تتويج لأكثر من عقد من الجهد البحثي في مجال الضوئيات اللاخطية المتكاملة والسعي وراء خسائر أقل في الدليل الموجي”.
استخدم الباحثون دائرة متكاملة فوتونية من نيتريد السليكون ذات فقد منخفض للغاية يبلغ طولها أكثر من مترين لبناء أول مضخم موجة متنقلة على شريحة ضوئية بحجم 3 × 5 مم 2.
تعمل الرقاقة في نظام مستمر وتوفر كسب صافي 7 ديسيبل على الشريحة وكسب صافي 2 ديسيبل من الألياف إلى الألياف في نطاقات الاتصالات السلكية واللاسلكية.
كما تم مؤخرًا تحقيق تضخيم حدودي للربح الصافي على الرقاقة في نيتريد السيليكون بواسطة مجموعات شركة Victor Torres-Company وبيتر أندريكسون في جامعة تشالمرز.
في المستقبل، يمكن للفريق استخدام التحكم الدقيق في الطباعة الحجرية لتحسين تشتت الدليل الموجي لعرض نطاق الكسب المعياري لأكثر من 200 نانومتر.
ونظرًا لأن فقد الامتصاص الأساسي لنتريد السيليكون منخفض جدًا (حوالي 0.15 ديسيبل / متر)، يمكن أن تؤدي تحسينات التصنيع الإضافية إلى دفع أقصى مكاسب حدودية للرقاقة إلى ما يزيد عن 70 ديسيبل مع 750 ميجاوات فقط من طاقة المضخة، متجاوزة أداء أفضل أداء قائم على الألياف مكبرات الصوت.
يقول Kippenberg: “مجالات التطبيق لمضخمات كهذه غير محدودة”.
“من الاتصالات الضوئية حيث يمكن للمرء أن يوسع الإشارات إلى ما وراء نطاقات الاتصالات النموذجية، إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة أو الليزر المرئي وتضخيم الإشارة، إلى LiDAR أو التطبيقات الأخرى حيث يتم استخدام الليزر لاستكشاف الإشارات الكلاسيكية أو الكمية واستشعارها.”
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
