أعلن فريق من الفيزيائيين في جامعة ستانفورد مؤخراً أنهم قاموا بتطوير مضخم بصري جديد لا يتجاوز حجمه حجم طرف الإصبع. ويمكنه زيادة كثافة الإشارات الضوئية بحوالي 100 مرة بينما يستهلك بضع مئات من المللي واط فقط من الطاقة، مع الحفاظ على مستوى منخفض من الضوضاء وأداء النطاق الترددي الكامل، مما يفتح إمكانيات جديدة للرقائق الضوئية المتكاملة المستقبلية والأجهزة التي تعمل بالبطاريات. ونشرت النتائج ذات الصلة في مجلة الطبيعة.
تعمل المضخمات الضوئية مثل مضخمات الطاقة في الأنظمة الصوتية وتستخدم لتعزيز شدة الإشارات الضوئية. وهي حلقة وصل رئيسية في مختلف التقنيات البصرية مثل اتصالات الألياف الضوئية والاتصالات عبر الأقمار الصناعية. تتمتع مكبرات الصوت الضوئية المدمجة الشائعة حاليًا باستهلاك عالٍ للطاقة، وضوضاء عالية، ولها قيود في دمجها في الرقائق. تركز الخطة التي اقترحها فريق ستانفورد على تحسين الكفاءة بشكل كبير من خلال تصميم "استرداد الطاقة" وتقليل استهلاك الطاقة دون التضحية بعرض النطاق الترددي وأداء الضوضاء.
قال أمير صفوي نايني، مؤلف الورقة وأستاذ الفيزياء المشارك في كلية العلوم الإنسانية بجامعة ستانفورد، إن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تحقيق نوع جديد من مكبر الصوت البصري الذي يتميز حقًا بأنه متعدد الاستخدامات ومنخفض الطاقة. ويمكن أن يغطي نطاقًا واسعًا من النطاقات في الطيف البصري، وهو فعال بما يكفي ليتم دمجه على شريحة، وبالتالي يوفر أساسًا لبناء أنظمة بصرية أكثر تعقيدًا.
وفقًا لفريق البحث، يمكن لمكبر الصوت تضخيم كثافة الإشارة الضوئية المدخلة بحوالي 100 مرة مع الحفاظ على حجم مدمج على مستوى الشريحة. فهو لا يتطلب سوى مئات المللي واط من الطاقة، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة مقارنة بالأجهزة المماثلة. ونظرًا لصغر حجمه واستهلاكه المنخفض للطاقة، فمن المتوقع أن يتم تشغيل الجهاز مباشرة بواسطة البطاريات ودمجه في الأجهزة الطرفية المحمولة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية. أثناء عملية تضخيم الإشارة، يمكن للجهاز الجديد أيضًا منع الضوضاء الإضافية بشكل فعال وتوفير نطاق ترددي تشغيلي أوسع من مكبرات الصوت المدمجة الموجودة، مما يدعم نطاقًا أوسع من الترددات الضوئية، ويزيد من سعة البيانات ويقلل التداخل.
جوهر هذا مكبر للصوت يكمن في استعادة الطاقة والاستفادة من "ضوء المضخة". في التصميم التقليدي، يعمل ضوء المضخة فقط كوسيط للقيادة، وتكون كفاءة استخدام الطاقة محدودة. ومع ذلك، يستخدم فريق ستانفورد بنية رنانة لتدوير ضوء المضخة داخل النظام وتعزيزه بشكل مستمر، وبالتالي الحصول على قوة مجال أعلى مع طاقة دخل أقل. وأشار ديفين دين، المؤلف الأول المشارك للورقة وطالب الدكتوراه في مجموعة أبحاث صفافي-نايني، إلى أنه من خلال إعادة تدوير طاقة المضخة، حقق الفريق تحسنًا في كفاءة مكبر الصوت دون التضحية بمؤشرات الأداء الرئيسية الأخرى.
على وجه التحديد، استخدم الباحثون بنية مشابهة لتجويف رنين الليزر في الجهاز "لعكس الضوء مرة أخرى إلى نفسه"، مما يجعله ينتقل بشكل متكرر ذهابًا وإيابًا في التجويف ويتراكم شدته تدريجيًا. في هذا التصميم، يدور ضوء المضخة في مرنان حلقي على شكل "مضمار سباق" ويزداد باستمرار على طول الحلقة المغلقة لتوفير كسب أكثر كفاءة لإشارة الهدف. يسمح هيكل "مضمار السباق البصري" هذا للنظام بتحقيق كثافة أعلى للمضخة مع طاقة مدخلات أقل، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الطاقة الإجمالية.
بفضل انخفاض استهلاك الطاقة وانكماش مستوى الرقاقة، من المتوقع أن يتم تنفيذ هذا المضخم في مجموعة متنوعة من سيناريوهات التطبيق، بما في ذلك اتصالات البيانات عالية السرعة والاستشعار الحيوي وتطوير مصادر ضوء جديدة. وقال دين إنه بمجرد أن يتم إنتاج مثل هذا الجهاز على نطاق واسع وتشغيله بواسطة البطاريات، فإن مساحة تطبيقه ستكون واسعة جدًا لأنها صغيرة بما يكفي ويمكن نشرها على دفعات في أجهزة طرفية مختلفة.
تحمل الورقة البحثية عنوان "التضخيم البصري المتكامل منخفض الطاقة من خلال الرنين التوافقي الثاني" والمؤلفون من جامعة ستانفورد والمؤسسات الشريكة. تم تمويل العمل البحثي من قبل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة الأمريكية (DARPA)، وأبحاث NTT اليابانية، ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.
تم تجميعها من /ScitechDaily