تحولی در مخابرات نوری / تقویت هوشمندانه سیگنال‌ها با تراشه فوتونیکی جدید

پژوهشگران موفق به توسعه یک تقویت‌کننده نوری جدید شده‌اند که در مقایسه با نمونه‌های متداول، عملکردی متفاوت و پیشرفته دارد. این تراشه نوآورانه به‌جای استفاده از عناصر کمیاب، از پدیده غیرخطی نوری بهره می‌برد و به سیگنال‌ها امکان می‌دهد که خود را تقویت کنند. نتیجه این فناوری، یک دستگاه فشرده و قدرتمند با پهنای باندی سه برابر گسترده‌تر از تقویت‌کننده‌های سنتی است.

افق‌های تازه در تقویت نوری

شبکه‌های ارتباطی مدرن برای انتقال حجم عظیمی از داده‌ها به سیگنال‌های نوری متکی هستند. اما همان‌طور که سیگنال‌های رادیویی ضعیف می‌شوند، سیگنال‌های نوری نیز برای طی کردن مسیر‌های طولانی بدون افت کیفیت، نیاز به تقویت دارند. در چند دهه اخیر، تقویت‌کننده‌های فیبر آلاییده با اربیوم (EDFA) به عنوان استاندارد اصلی برای افزایش برد انتقال سیگنال‌های نوری استفاده شده‌اند. این فناوری اگرچه کارآمد است، اما فقط در محدوده طیفی مشخصی عمل می‌کند و همین محدودیت، توسعه شبکه‌های نوری را با چالش مواجه ساخته است.

با افزایش تقاضا برای انتقال داده‌های پرسرعت – به‌ویژه با رشد پردازشگر‌های هوش مصنوعی، مراکز داده و سیستم‌های پردازش رایانش سنگین – نیاز به تقویت‌کننده‌های نوری قدرتمندتر، انعطاف‌پذیرتر و فشرده‌تر بیش از همیشه احساس می‌شود.

تقویت سیگنال‌های نوری فوق‌العاده پهن‌باند، که امکان تقویت در گستره وسیع‌تری از طول‌موج‌ها را فراهم می‌کند، یکی از نیاز‌های حیاتی کنونی است. اگرچه تقویت‌کننده‌های رامن (Raman) بهبود‌هایی در این زمینه ارائه داده‌اند، اما همچنان از پیچیدگی بالا و مصرف انرژی زیاد رنج می‌برند. این موضوع ضرورت توسعه راهکار‌های کارآمدتر را دوچندان می‌کند.

دستاوردی جدید در تقویت نوری مبتنی بر تراشه

اکنون، تیمی از پژوهشگران به سرپرستی توبیاس کیپنبرگ از مؤسسه EPFL و پل سیدلر از IBM Research Europe – Zurich موفق به ساخت یک تقویت‌کننده پارامتریک موج رونده (TWPA) مبتنی بر تراشه فوتونیکی شده‌اند که برای نخستین بار، تقویت سیگنال‌های نوری فوق‌العاده پهن‌باند را در یک دستگاه بسیار فشرده ممکن می‌سازد.

این فناوری که با استفاده از تکنولوژی فسفید گالیوم روی دی‌اکسید سیلیکون ساخته شده، توانسته است بهره خالصی بیش از ۱۰ دسی‌بل در پهنای باندی حدود ۱۴۰ نانومتر ارائه دهد – یعنی سه برابر پهنای باند تقویت‌کننده‌های EDFA در باند C.

برخلاف اغلب تقویت‌کننده‌های نوری که برای افزایش قدرت سیگنال به عناصر کمیاب متکی هستند، این تراشه از پدیده غیرخطی نوری بهره می‌برد. در این فناوری، نور هنگام عبور از یک موج‌بر مارپیچ کوچک به‌گونه‌ای طراحی‌شده، با محیط خود برهم‌کنش می‌کند و بدون افزودن نویز، خود را تقویت می‌کند. این روش نه‌تنها بهره‌وری بالاتری دارد، بلکه امکان تقویت طیف گسترده‌تری از طول‌موج‌های نوری را در ابعادی بسیار کوچک فراهم می‌سازد.

قدرت فسفید گالیوم

پژوهشگران برای این تقویت‌کننده جدید از فسفید گالیوم استفاده کرده‌اند؛ ماده‌ای که به دلیل ویژگی‌های نوری منحصر‌به‌فرد خود انتخاب شده است.

۱. غیرخطی بودن بالا: این ماده به نور اجازه می‌دهد هنگام عبور از آن، به‌طور مؤثرتری با محیط تعامل کند و سیگنال‌ها را تقویت نماید.

۲. ضریب شکست بالا: این ویژگی باعث می‌شود که نور درون موج‌بر به‌شدت متمرکز شود و در نتیجه، بهره‌وری تقویت افزایش یابد.

با استفاده از فسفید گالیوم، تیم تحقیقاتی موفق شده است با موج‌بری به طول چند سانتی‌متر به بهره بالا دست یابد. این کاهش چشمگیر در ابعاد، این تقویت‌کننده را به گزینه‌ای ایده‌آل برای سیستم‌های ارتباطی نوری نسل بعدی تبدیل می‌کند.

عملکرد استثنایی و کاربرد‌های متنوع

آزمایش‌های انجام‌شده نشان داده‌اند که این تقویت‌کننده مبتنی بر تراشه قادر است بهره‌ای تا ۳۵ دسی‌بل را ارائه دهد، درحالی‌که میزان نویز را در حداقل نگه می‌دارد. همچنین، این تقویت‌کننده قادر به تقویت سیگنال‌های بسیار ضعیف بوده و توانایی پردازش سیگنال‌هایی را دارد که بیش از شش مرتبه بزرگی از نظر توان ورودی تفاوت دارند.

این ویژگی‌ها باعث می‌شود این تقویت‌کننده برای کاربرد‌هایی فراتر از مخابرات نیز مناسب باشد، از جمله حسگر‌های دقیق.

همچنین، این فناوری عملکرد شانه‌های فرکانسی نوری و سیگنال‌های ارتباطی همدوس را – که دو بخش کلیدی در شبکه‌های نوری مدرن و فوتونیک محسوب می‌شوند – بهبود بخشیده است. این امر نشان می‌دهد که مدار‌های مجتمع فوتونیکی می‌توانند از سیستم‌های سنتی مبتنی بر فیبر فراتر روند.

آغاز عصری جدید برای ارتباطات نوری و فراتر از آن

این تقویت‌کننده جدید چشم‌انداز‌های گسترده‌ای را برای آینده مراکز داده، پردازشگر‌های هوش مصنوعی و سیستم‌های رایانش با کارایی بالا فراهم می‌کند، زیرا همگی به انتقال داده سریع‌تر و کارآمدتر نیاز دارند.

علاوه بر مخابرات، کاربرد‌های این فناوری به حوزه‌های دیگری مانند حسگر‌های نوری، اندازه‌گیری دقیق (مترو LOGY) و حتی سیستم‌های لیدار خودرو‌های خودران نیز گسترش می‌یابد.

انتهای پیام/