光在現代技術中發揮重要作用，從電視、衛星到在世界各地傳輸網路資料的光纖電纜。現在，史丹佛大學的物理學家已經開發出一種進一步推動光的方法。他們創造了一種緊湊的光學放大器，只有指尖大小，可以用很少的功率放大光訊號，同時保持全頻寬。
光學放大器的工作方式與音訊放大器類似，只不過它們放大光而不是聲音。傳統的緊湊型版本需要大量電力才能運行，這限制了效率。 《自然》雜誌描述的這種新設備透過重複利用運行它所需的大部分能量來克服這一挑戰。
該研究的主要作者、史丹佛大學人文與科學學院物理學副教授阿米爾·薩法維·納伊尼 (Amir Safavi-Naeini) 表示：“我們首次展示了一種真正多功能的低功率光放大器，它可以在整個光譜範圍內運行，並且效率足以集成在芯片上。” “這意味著我們現在可以構建比以前更複雜的光學系統。”
史丹佛大學開發的放大器只需 100 毫瓦的功率即可將光訊號的強度提高約 100 倍。這比類似設備所需的功率要少得多。由於它高效且體積小，因此可以使用電池運行，並且可以嵌入筆記型電腦或智慧型手機中。
降低噪音並增加頻寬
與音頻放大器一樣，光學放大器在放大訊號時可能會引入不必要的雜訊。研究人員表明，他們的設計將這種噪音降至最低。它的工作波長範圍也比現有放大器更寬，這意味著它可以傳輸更多數據，同時幹擾更少。
這種類型的放大器依賴於充當“泵”的光束中儲存的能量。其性能取決於泵浦光的強度。
該研究的第一作者、Safavi-Naeini 實驗室的博士生德文·迪恩 (Devin Dean) 表示：“通過回收為該放大器提供動力的泵中的能量，我們在不影響其其他性能的情況下提高了它的效率。”
回收光能以獲得更強的訊號
該團隊使用類似於雷射中已使用的方法的諧振設計實現了這種效率。迪恩將其描述為“能量回收技巧”。簡單來說，系統將光線發送回自身，使其隨著時間的推移而增強強度，就像光線在兩面鏡子之間反射一樣。
在這個擴大機內部，泵浦光在諧振器內產生，並沿著連續的圓形路徑傳播，就像跑道一樣。當它循環時，光線變得更加強烈，使其能夠更有效地放大目標訊號。這種方法產生更強的輸出，同時需要更少的輸入功率。
由於該設備結構緊湊且節能，因此可以使用電池運作並適合小型電子產品。
迪恩說：“當你能做到這一點時，可能性是巨大的，因為它們是如此之小，以至於你可以大規模生產它們並用電池為它們供電。” “它們可用於數據通信、生物感測、製造新光源或各種用途。”
潛在的應用和研究支持
史丹佛大學的作者包括共同第一作者 Taewon Park，他是 Safavi-Naeini 實驗室的博士生； Martin Fejer，應用物理學教授；博士後研究員休伯特·斯托科夫斯基；以及博士生 Sam Robison、Alexander Hwang、Luke Qi 和 Jason Herrmann。
Dean、Park、Safavi-Naeini 和 Stokowski 是一項專利申請的共同發明人，該專利申請涵蓋了在功率有限的光子感測器中實現量子優勢的方法。
這項工作得到了國防高級研究計劃局、NTT Research 和國家科學基金會的部分支持。
