ارتباطات فیبر نوری وتقویت‌کننده‌های پارامتریک
فهرست مطالب
توانایی تقویت سیگنال‌های نوری در فیبرهای نوری تا ریزترین آنها، یک پیشرفت تکنولوژیکی حیاتی است که جامعه اطلاعاتی مدرن ما را برنامه‌ریزی می‌کند.
در پروژه‌ها از باند طول موج 1550 نانومتر در ارتباطات از راه دور نوری استفاده می‌کنند. علت این کار، کاهش تلفات در فیبرهای نوری سیلیکا و همچنین تقویت سیگنال‌های نوری است. تقویت سیگنال‌های نوری برای انتقال بسیار ضروری است.
تقویت سیگنال‌های نوری در تمامی فناوری‌های مبتنی بر لیزر نیاز است. برای مثال در مراکز داده برای برقراری ارتباط بین سرورها و بین قاره‌ها از طریق پیوندهای فیبر بین اقیانوسی، تا کاربردهای دامنه‌ای مانند موج پیوسته مدوله‌شده فرکانس منسجم (fmcw) استفاده می‌شود.
لیدار (Lidar) یک فناوری جدید است که می‌تواند دستگاه‌های از راه دور را سریع‌تر و با دقت بیش‌تری شناسایی کند. امروزه تقویت‌کننده‌های نوری مبتنی بر یون‌های خاکی کمیاب مانند اربیوم و همچنین نیمه رساناهای iii-v، به طور گسترده در کاربردهای دنیای واقعی استفاده می‌شوند.
این دو رویکرد مبتنی بر تقویت توسط انتقال نوری هستند. اما الگوی دیگری از تقویت سیگنال وجود دارد: تقویت‌کننده‌های پارامتریک موج که با تغییر یک پارامتر کوچک در سیستم، مانند ظرفیت یا غیر خطی بودن یک خط انتقال، سیگنال را تقویت می‌کند.
تقویت‌کننده‌های پارامتریک نوری
از دهه هشتاد مشخص شده است که غیر خطی بودن فیبرهای نوری را می‌توان برای ایجاد تقویت‌کننده‌های پارامتری نوری موج استفاده کرد. به این معنی که آنها می‌توانند به عنوان پهنای باند، هر چیزی را پوشش دهند.
تقویت‌کننده‌های پارامتریک حداقل ورودی سیگنال را تحمل می‌کنند، به این معنا که می‌توان از آنها برای تقویت ضعیف‌ترین سیگنال‌ها و توان ورودی زیاد در یک ساختار استفاده کرد. در نهایت طیف بهره‌برداری را می‌توان با بهینه‌سازی هندسه موج بر موج و مهندسی پراکندگی که انعطاف‌پذیری بالایی در طراحی طول موج‌ها دارد، تنظیم کرد.
نکته جالب این است که بهره پارامتری را می‌توان در باندهای طول موج غیرعادی به‌دست آورد که دور از دسترس فیبرهای خاکی کمیاب هستند. تقویت پارامتریک به کوانتومی محدود است و می‌تواند گاهی با نویز هم سیگنال‌ها را تقویت کند.
محدودیت‌های سیلیکون
در طول دو دهه گذشته پیشرفت‌های زیادی در پلتفرم‌های فوتونیک به صورت یکپارچه صورت گرفته است. این پیشرفت اثر غیر خطی هسته فیبر نوری را افزایش داده است که در فیبرهای سیلیسی قابل دست‌یابی نیست.
پروفسور توبیاس کیپنبرگ، رئیس آزمایشگاه فوتونیک و اندازه‌گیری‌های کوانتومی EPFL می‌گوید: عملکرد در رژیم موج پیوسته صرفا یک دستاورد تحصیلی نیست. در این عملیات می‌توان هر سیگنال ورودی را تقویت کرد و این موضوع برای عملکرد هر تقویت‌کننده‌ای مهم است.
تراشه فوتونیک موفق
پیشرفت تراشه فوتونیک یک مطالعه جدید به رهبری دکتر یوهان ریمنسبرگر در گروه کیپنبرگ است. اکنون با توسعه یک تقویت کننده موج سیار بر اساس مدار مجتمع فوتونیک که در رژیم پیوسته کار می‌کند، به این چالش پرداخته است.
ریمنسبرگر می‌گوید: «نتایج ما نقطه اوج بیش از یک دهه تلاش تحقیقاتی در فوتونیک غیرخطی یکپارچه و پیگیری تلفات کم‌تر است».
محققان از یک مدار مجتمع فوتونی نیترید سیلیکون با تلفات بسیار کم بیش از دو متر طول برای ساخت اولین تقویت کننده موج سفر بر روی یک تراشه فوتونیک به اندازه ۳×۵ میلی متر مربع استفاده کردند.
این تراشه در یک رژیم پیوسته کار می کند و بهره خالص ۷ دسی بل را روی تراشه و ۲ دسی بل بهره خالص فیبر به فیبر را در باندهای مخابراتی ارائه می دهد. تقویت پارامتری سود خالص روی تراشه در نیترید سیلیکون نیز اخیراً توسط گروه های Victor Torres-Company و Peter Andrekson در دانشگاه چالمرز به دست آمد.
در آینده، این تیم می تواند از کنترل دقیق لیتوگرافی برای بهینه‌سازی پراکندگی موج بر برای پهنای باند بهره پارامتری بیش از 200 نانومتر استفاده کند. از آنجایی که تلفات اساسی جذب نیترید سیلیکون بسیار کم است (حدود 0.15 دسی بل بر متر)، بهینه‌سازی های بیشتر در ساخت می تواند حداکثر بهره پارامتری تراشه را با تنها 750 میلی وات توان پمپ به بیش از 70 دسی بل افزایش دهد که از عملکرد بهترین فیبر مبتنی بر فیبر بیشتر است.
کیپنبرگ می‌گوید: حوزه‌های کاربردی چنین تقویت‌کننده‌‌هایی نامحدود است.