La luz desempeña un papel central en la tecnología moderna, alimentando todo, desde televisores y satélites hasta los cables de fibra óptica que transportan datos de Internet por todo el mundo. Ahora, los físicos de Stanford han desarrollado una manera de impulsar la luz aún más. Han desarrollado un amplificador óptico compacto, en la punta de un dedo, que puede amplificar señales de luz usando muy poca energía y manteniendo el ancho de banda completo.
Los amplificadores ópticos funcionan de manera muy similar a los amplificadores de audio, pero amplifican la luz en lugar del sonido. Las versiones compactas tradicionales requieren una potencia significativa para funcionar, lo que limita su eficacia. El nuevo dispositivo, descrito en la revista Nature, supera este desafío reutilizando gran parte de la energía necesaria para su funcionamiento.
“Hemos demostrado, por primera vez, un amplificador óptico verdaderamente versátil y de baja potencia que puede operar en todo el espectro óptico y es lo suficientemente eficiente como para integrarse en un chip”, dijo Amir Safavi-Naini, autor principal del estudio y profesor asociado de ciencia en la Escuela Saffords. “Esto significa que ahora podemos construir sistemas ópticos mucho más complejos que nunca”.
El amplificador desarrollado en Stanford puede amplificar la intensidad de una señal luminosa casi 100 veces utilizando sólo unos pocos cientos de milivatios de potencia. Esto es mucha menos energía de la que normalmente requieren dispositivos similares. Debido a que es eficiente y pequeño, puede funcionar con una batería e integrarse en un dispositivo como una computadora portátil o un teléfono inteligente.
Ruido reducido y mayor ancho de banda
Al igual que sus homólogos de audio, los amplificadores ópticos pueden introducir ruidos no deseados al amplificar la señal. Los investigadores demostraron que su diseño mantenía este ruido al mínimo. Opera en una gama más amplia de longitudes de onda que los amplificadores existentes, lo que significa que puede transportar más datos con menos interferencia.
Este tipo de amplificador se basa en la energía almacenada en un haz de luz que actúa como una “bomba”. El rendimiento de la bomba depende de la intensidad de la luz.
“Al reciclar la energía de la bomba que alimenta este amplificador, lo hemos hecho más eficiente y no afecta ninguna de sus otras propiedades”, dijo Devin Dean, coprimer autor del estudio y estudiante de doctorado en el laboratorio de Safavi-Naini.
La energía luminosa se recicla para obtener señales más fuertes.
El equipo logró esta hazaña utilizando diseños resonantes similares a los métodos ya utilizados en láseres. Dean describe esto como una “estrategia de reciclaje de energía”. En pocas palabras, el sistema hace rebotar la luz sobre sí mismo, lo que le permite acumular energía con el tiempo, de forma muy parecida a hacer rebotar la luz entre dos espejos.
Dentro de este amplificador, la luz de la bomba se genera en un resonador donde viaja en una trayectoria circular continua como una pista de carreras. A medida que circula, la luz se vuelve más intensa, lo que le permite amplificar la señal objetivo de manera más efectiva. Este método produce un rendimiento potente y requiere menos energía de entrada.
Debido a que el dispositivo es compacto y eficiente desde el punto de vista energético, puede funcionar con batería e incorporarse a pequeños dispositivos electrónicos.
“Cuando puedes hacer eso, las posibilidades son realmente bastante amplias porque son tan pequeñas que puedes producirlas en masa y alimentarlas con baterías”, dijo Dean. “Podrían utilizarse potencialmente para la comunicación de datos, la biodetección, la creación de nuevas fuentes de luz o una variedad de cosas”.
Posibles aplicaciones y apoyo a la investigación.
Otros coautores de Stanford incluyen al coautor Taeyeon Park, estudiante de doctorado en el laboratorio de Safavi-Naini; el profesor de Física Aplicada Martin Feser; el becario postdoctoral Hubert Stokowski; y los estudiantes de doctorado Sam Robison, Alexander Hwang, Luke Qi y Jason Herman.
Dean, Park, Safavi-Naini y Stokowski son inventores de una solicitud de patente que cubre métodos para lograr eficiencia cuántica en sensores fotónicos de energía limitada.
Este trabajo fue apoyado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, NTT Research y la Fundación Nacional de Ciencias.
