Förstärkaren får plats på ett chip – kan ge laserkommunikation med Mars

2021-09-23 10:55  

Forskarna är först med att skapa en brusfri optisk förstärkare, och har lyckats krympa hårdvaran flera tusen gånger. Nasa är intresserade av lösningen som kan öppna för laserkommunikation med Mars.

Optiska förstärkare används i alla möjliga sammanhang, exempelvis i fiberoptiska system för internet. Konventionella optiska förstärkare genererar dock så kallat överskottsbrus som gör att signalens kvalitet försämras. I mer än tio år har Chalmersforskare arbetat med att utveckla en parametrisk förstärkare som inte utvecklar något brus alls – och nu har de presenterat resultatet.

Peter Andrekson är chef för fotonikavdelningen vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers. Han berättar att det inte går att hitta bättre brusegenskaper – samtidigt är deras chip mycket mindre än föregående förstärkare med lågt brus. Det är även mindre än de så kallade erbium-dopade fiberförstärkare som används kommersiellt. Tidigare rymdes forskarnas hårdvara i fyra totalt 70 cm höga trummor, nu gör ett 2x2 cm stort chip samma jobb utifrån utifrån samma princip – Kerr-effekten.    ‘

– Det som är nytt är att vi har lyckats miniatyrisera förstärkaren och att vi använder en helt ny plattform med kiselnitrid som vi kan tillverka vågledarstrukturer av här i vårt renrum på Chalmers. Det gör att vi kan krympa den här dimensionen väldigt mycket, säger Peter Andrekson till Ny Teknik.

Teamets teknik kan öppna upp för kommunikation med laser från Mars, och användas i en typ av optisk kvantdator. Foto: Yen Strandqvist

Peter berättar att kompakta förstärkare av den här typen är något som grupper runt om i världen har försökt åstadkomma i 20 år utan att lyckas. En vågledarstruktur behöver vara cirka 1,5 meter lång, men genom att Chalmers har lindat upp dem i en spiralform så får man rum med 20 stycken på rad i en förstärkare.

Kan användas i lidar

De erbiumförstärkare som används i dagens fiberoptiska system är väldigt begränsade när det gäller i vilken våglängd de fungerar, vilket inte är fallet med Chalmers lösning.

– Kiselnitrid är ett materialsystem som är transparent, från synligt ljus och hela vägen upp till infrarött. Det innebär att man kan skräddarsy den här typer av förstärkare för en mängd olika tillämpningar, inte alls bara telekom, säger Peter.

Han ser en möjlighet till att man kan använda förstärkaren i lidar, dock inte avsett för bilar utan till exempel lidar för att studera atmosfären. 

En annan tillämpning som teamet har funderat mycket på, och gjort lite förstudier om, handlar om kommunikation över långa avstånd. Att få hem en högupplöst bild från Mars kan i dag ta flera dagar, och Peter berättar att Nasa visade ett stort intresse för Chalmers förstärkare när han besökte dem och deras Jet Propulsion Laboratory samt MIT.

– När man kommunicerar från Mars till jorden så använder man i dag radiovågor, och man tappar väldigt mycket effekt på vägen innan vågorna träffar jorden. Det innebär att den datatakt som man nu kan skicka typiskt ligger på 1 till 3 KB per sekund. Men om man byter från radiovågor till laserljus och använder en sån här förstärkare i en mottagare så räknar vi med att man med rimliga antaganden kan öka den datatakten från några få KB per sekund till Kanske 50 MB per sekund, säger Peter. 

Kan ha betydelse för kvantdatorer

Chalmers chip kan på sikt också ha betydelse för kvantdatorer. Förstärkaren bygger på en princip som kallas squeezed light, vilket innebär att man pressar ihop ljusets egenskaper.

– Ljuset har ju en massa dimensioner och i vår förstärkare pressar vi ihop osäkerheten i en dimension, det vill säga att vi får ner bruset i en dimension. Och det är precis den här typen av hoppressning som behövs för att bygga en typ av optisk kvantdator, säger han.

Det finns ett antal olika koncept för att bygga kvantdatorer. Många jobbar med supraledare, men man kan också använda fotoniska komponenter. Och till skillnad från de supraledande materialen så arbetar Chalmers förstärkare vid rumstemperatur.

– Så det är potentiellt ett väldigt viktigt byggblock i framtidens optiska kvantdatorer, säger Peter Andrekson. 

Forskarnas arbete har presenterats i tidskriften Science Advances.

John Edgren

Mer om: Laser Mars

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt