Η τεχνολογία των οπτικών επικοινωνιών βρίσκεται μπροστά σε μια σημαντική καμπή, καθώς ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Stanford παρουσίασαν μια καινοτόμο συσκευή που υπόσχεται να αλλάξει τα δεδομένα στις φορητές συσκευές και την ιατρική διάγνωση. Πρόκειται για έναν οπτικό ενισχυτή σε μέγεθος τσιπ, ο οποίος μπορεί να ενισχύσει την ένταση του φωτός έως και 100 φορές, καταναλώνοντας ελάχιστη ενέργεια.
Η ανακάλυψη αυτή έρχεται να δώσει λύση σε ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια της φωτονικής: την ανάγκη για ογκώδεις και ενεργοβόρους ενισχυτές που μέχρι σήμερα περιόριζαν τη χρήση του φωτός κυρίως σε μεγάλα δίκτυα οπτικών ινών.
Η πρόκληση της μικρογραφίας
Το φως αποτελεί τη ραχοκοκαλιά των σύγχρονων πληροφοριακών συστημάτων, από τις τηλεοράσεις και τους δορυφόρους μέχρι τα υποθαλάσσια καλώδια που μεταφέρουν το διαδίκτυο. Ωστόσο, η μεταφορά αυτής της τεχνολογίας στο εσωτερικό ενός smartphone ή ενός φορητού υπολογιστή ήταν μέχρι τώρα εξαιρετικά δύσκολη. Οι υπάρχοντες οπτικοί ενισχυτές απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας για να λειτουργήσουν, γεγονός που καθιστούσε αδύνατη την ενσωμάτωσή τους σε συσκευές που λειτουργούν με μπαταρία.
Η ομάδα του Stanford, υπό την καθοδήγηση του Amir Safavi-Naeini, αναπληρωτή καθηγητή φυσικής, κατάφερε να σχεδιάσει έναν ενισχυτή βασισμένο σε νιοβικό λίθιο (lithium niobate), ο οποίος λειτουργεί με λιγότερο από 200 milliwatts. Η απόδοση αυτή αποτελεί ένα μικρό κλάσμα της ενέργειας που απαιτούν οι συμβατικές διατάξεις παρόμοιου μεγέθους.
Η τεχνολογία της «ανακύκλωσης» ενέργειας
Το μυστικό της επιτυχίας κρύβεται στον έξυπνο σχεδιασμό της συσκευής. Αντί να προσθέτει συνεχώς εξωτερική ενέργεια για να ενισχύσει το σήμα, ο νέος ενισχυτής χρησιμοποιεί μια μέθοδο που οι ερευνητές περιγράφουν ως «ανακύκλωση ενέργειας» μέσω συντονισμού δεύτερης αρμονικής. Το φως που τροφοδοτεί τη διαδικασία ενίσχυσης εγκλωβίζεται σε μια δομή συντονισμού, όπου κυκλοφορεί σε έναν κλειστό βρόχο – παρόμοιο με μια πίστα αγώνων.
Αυτή η συνεχής κυκλοφορία επιτρέπει στο φως να αυξάνει την έντασή του με πολύ λιγότερη εξωτερική είσοδο. Το αποτέλεσμα είναι ένας ενισχυτής που δεν είναι μόνο αποδοτικός, αλλά και εξαιρετικά «καθαρός». Όπως ένας ενισχυτής ήχου μπορεί να προσθέσει ενοχλητικό θόρυβο (παράσιτα) όταν δυναμώνουμε την ένταση, έτσι και οι οπτικοί ενισχυτές τείνουν να αλλοιώνουν το σήμα. Η νέα διάταξη του Stanford ελαχιστοποιεί αυτόν τον θόρυβο, διατηρώντας την ποιότητα του σήματος σχεδόν στα κβαντικά όρια.
Από τις τηλεπικοινωνίες στη βιοιατρική
Οι εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας εκτείνονται πολύ πέρα από την απλή βελτίωση της ταχύτητας του internet. Στον τομέα των επικοινωνιών, ο ευρύς σχεδιασμός του ενισχυτή σημαίνει ότι μπορεί να υποστηρίξει ένα μεγαλύτερο φάσμα φωτός (πάνω από 110 nm), αυξάνοντας δραματικά τη χωρητικότητα μεταφοράς δεδομένων χωρίς παρεμβολές.
Ακόμη πιο εντυπωσιακές είναι οι προοπτικές στον τομέα των βιοαισθητήρων. Η δυνατότητα ενίσχυσης ασθενών οπτικών σημάτων σε μια τόσο μικρή κλίμακα επιτρέπει τη δημιουργία φορητών διαγνωστικών συσκευών υψηλής ακρίβειας. Τέτοιοι αισθητήρες θα μπορούσαν να ανιχνεύουν βιολογικούς δείκτες για ασθένειες με ταχύτητα και ευαισθησία που σήμερα συναντάμε μόνο σε εξειδικευμένα εργαστήρια.
Το μέλλον των οπτικών συστημάτων
«Αποδείξαμε για πρώτη φορά ότι ένας πραγματικά ευέλικτος οπτικός ενισχυτής χαμηλής κατανάλωσης μπορεί να ενσωματωθεί σε ένα τσιπ», δήλωσε ο Safavi-Naeini. Η εξέλιξη αυτή ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία πολύ πιο σύνθετων οπτικών συστημάτων, τα οποία θα μπορούν να λειτουργούν αυτόνομα σε καθημερινές συσκευές.
Η δυνατότητα ενός smartphone να επεξεργάζεται οπτικά σήματα με την ίδια ευκολία που διαχειρίζεται τα ηλεκτρικά σήματα, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια νέα γενιά υπολογιστικών συστημάτων και κβαντικών υπολογιστών. Παράλληλα, η ενεργειακή αποδοτικότητα της συσκευής την καθιστά ιδανική για εφαρμογές στο «Internet of Things» (IoT), όπου η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι κρίσιμης σημασίας.
Η έρευνα του Stanford δεν αποτελεί απλώς μια βελτίωση μιας υφιστάμενης τεχνολογίας, αλλά μια δομική αλλαγή στον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τον έλεγχο του φωτός. Με τη σμίκρυνση των οπτικών εξαρτημάτων και τη δραστική μείωση των ενεργειακών τους απαιτήσεων, το φως παύει να είναι ένα εργαλείο αποκλειστικά για μεγάλες υποδομές και γίνεται αναπόσπαστο κομμάτι της προσωπικής μας τεχνολογίας.
