Onderzoekers van Stanford University kwamen met een innovatieve optische versterker ter grootte van een vingertop. Dit kleine apparaatje zou de snelle datacommunicatie kunnen veranderen door het energieverbruik aanzienlijk te verminderen. Traditionele versterkers zijn vaak groot en verbruiken veel stroom, maar deze nieuwe chip is anders. Het beschikt over een ‘racebaanvormige’ resonator die licht recycleert, waardoor de signaalsterkte 100 keer toeneemt terwijl er veel minder elektriciteit wordt verbruikt. Volgens het rapport van Stanford-universiteit, deze vooruitgang opent de deur voor geavanceerde fotonica om draagbare, op batterijen werkende gadgets zoals smartphones en externe sensoren binnen te dringen. Door de technologie die nodig is voor signalen van glasvezelkwaliteit te verkleinen, hebben de onderzoekers met succes enorme telecommunicatiesystemen verbonden met kleinere consumentenelektronica; dit belooft snellere en efficiëntere mondiale connectiviteit in de toekomst.
Hoe een chip ter grootte van een vingertop een signaalversterking van 100x levert bij een laag stroomverbruik
De belangrijkste doorbraak van deze chip is het vermogen om lichtsignalen honderd keer te versterken, terwijl er slechts een paar honderd milliwatt aan stroom wordt gebruikt, zoals opgemerkt door Stanford University. In het verleden hadden optische versterkers veel energie en ruimte nodig, waardoor ze beperkt waren tot grote datacenters of onderzeese kabels. Dit nieuwe apparaat verandert echter het spel. Het is gebouwd op een dunne laag lithiumniobaat en maakt gebruik van iets dat een ‘resonante’ architectuur wordt genoemd. Dit is wat er gebeurt: licht reist duizenden keren rond een klein spoortje op de chip. Dit proces verhoogt de intensiteit door gestimuleerde emissie, vergelijkbaar met hoe lasers werken, maar het is ongelooflijk energie-efficiënt voor communicatiesignalen.
Het belangrijkste materiaal voor optische chips van de volgende generatie
De onderzoekers werkten met lithiumniobaat, een materiaal dat populair is in de opticawereld omdat het het lichtpad kan veranderen wanneer er elektriciteit wordt toegepast. Het team van Stanford ontwikkelde een nieuwe methode genaamd dunne film-op-isolator; Dankzij deze methode konden ze licht effectiever vangen dan ooit tevoren. Dankzij deze strakke opsluiting van licht slaagden ze erin de versterker effectief te houden, zelfs als deze tot vingertopformaat werd verkleind. Het verkleinen van de versterker is essentieel om deze chips op reguliere computermoederborden en mobiele apparaten te kunnen plaatsen.
De rol van energiezuinige chips bij de ontwikkeling 6G-netwerken
De chip verhoogt niet alleen de internetsnelheid; het vereist ook heel weinig stroom, wat een groot probleem is voor de ‘Groene ICT’-doelstellingen van het ministerie van Energie. Het verlagen van de warmte die wordt geproduceerd tijdens datatransmissie is cruciaal voor toekomstige 6G-netwerken en sensoren in zelfrijdende auto’s zoals LiDAR. Omdat de chip op batterijen kan werken, kunnen drones of satellieten veel gegevens verzenden zonder veel gewicht toe te voegen of veel stroom te verbruiken. Dit zou helpen bij overheidsprojecten op het gebied van ruimteverkenning en het van verre monitoren van het milieu.
Hoe looping-resonatoren de lichtinteractielengte vergroten
Het Stanford-team heeft een nieuw ontwerp bedacht dat het veel voorkomende ‘gain-saturation’-probleem bij kleine versterkers aanpakt. Ze gebruikten een looping-resonator, die op slimme wijze de ‘interactielengte’ van licht vergroot zonder de chip groter te maken. In plaats van er slechts één keer doorheen te gaan, reist het licht meerdere keren door het versterkingsmedium. Hierdoor kan het meer fotonen verzamelen van een minder krachtige pompbron, waardoor de output wordt verbeterd en de gebruikelijke ‘ruis’ wordt verminderd die vaak interfereert met signalen bij snelle communicatie.
