Стабильность особенно важна, потому что вместо того, чтобы просто представлять биты в зависимости от того, включен или выключен лазер, информация может также кодироваться в частоте или фазе световой волны, которые труднее контролировать. Дополнительные слои данных могут увеличить скорость передачи лазера, но лазеры массового рынка недостаточно стабильны, чтобы передавать сигнал через шум в этих свойствах.

Penn Engineers разработали кремниевый микрочип, который может значительно уменьшить шум недорогих лазеров, позволяя им использовать фазу лазера для передачи данных. Этот микрочип измеряет шум в фазе лазера в виде электрического тока, а затем подавляет шум, вводя этот ток обратно в лазер в контуре обратной связи. Этот метод, известный как метод Паунда-Древера-Холла (PDH), является основой лазерной стабилизации, но до сих пор применялся только в настольных системах.

Стабилизатор PDH размером с микрочип можно недорого производить серийно и интегрировать в существующие лазерные системы, что позволит им работать так же, как и гораздо более крупные и дорогие лазеры.

«Этот чип позволяет кодировать информацию как по интенсивности, так и по фазе недорогого лазера, увеличивая скорость передачи данных при той же доступной полосе пропускания. Например, по сравнению с двухуровневым кодированием интенсивности вы можете получить в четыре раза большую скорость передачи данных, если кодируете информацию в восьми фазовых точках поверх двух уровней интенсивности», — сказал Фируз Афлатуни, доцент Скирканич кафедры электротехники и систем Университета Пенсильвании. Инжиниринг.

«Прелесть в том, что 100 Мбит/с становится 400 Мбит/с при использовании того же дешевого шумного лазера», — сказал он.

Афлатуни вместе с Мохамадом Хоссейном Иджади, аспирантом своей лаборатории, опубликовал исследование, демонстрирующее устройство, в журнале Nature Communications .

В большинстве лазерных систем связи используется модуляция интенсивности, что означает кодирование информации исключительно интенсивностью световой волны. Для простоты «1» означает, что лазер включен, а «0» — когда он выключен. Но у лазеров есть и другие свойства: частота, определяющая, насколько быстро повторяется цикл подъема и опускания волны, и фаза, определяющая, насколько далеко начало каждого цикла отстоит от фиксированной точки отсчета.

Для передачи одного бита с использованием только модуляции интенсивности лазерный свет должен быть либо включен, либо выключен через заданные интервалы, каждый из которых представляет либо 0, либо 1. Однако лазер, способный излучать четыре дискретные фазы, может передавать данные в два раза быстрее. быстрый. Каждая из фаз будет представлять одну из четырех двухбитных перестановок в каждом интервале: 00, 01, 10 или 11.

Комбинирование дополнительных уровней фазы и интенсивности, отличных от просто «включено» и «выключено», может еще больше умножить данные. ставка. Кодирование информации в четырех фазовых точках и двух уровнях интенсивности позволило бы использовать восемь трехбитных перестановок, утроив скорость передачи данных. Восемь фаз и две интенсивности позволили бы получить шестнадцать четырехбитных перестановок, увеличив его в четыре раза.

Важно отметить, что эта система работает только в том случае, если лазер может надежно излучать с правильной фазой в каждом интервале. Лазеры с достаточно низким уровнем шума для этого непомерно дороги для потребительских товаров, а лазеры для массового рынка, как правило, слишком шумные, чтобы нести информацию, используя свойства, выходящие за рамки простой интенсивности включения и выключения.

Этот шум возникает из-за качества резонатора лазера и «усиливающей среды» внутри него. Как правило, лазеры производятся путем отражения света назад и вперед в полости между двумя зеркалами. Поскольку свет теряет энергию при прохождении внутри полости, на пути света помещается усиливающая среда. В процессе, известном как стимулированное излучение, после подачи электрического тока на усиливающую среду лазера высвобождаются фотоны, которые выстраиваются в линию с проходящим через нее светом, усиливая его в лазерный луч.

«Во время этого процесса усиления некоторые фотоны также генерируются случайным образом, что, в свою очередь, создает шум в лазере. Высококачественные резонаторы могут значительно уменьшить этот так называемый шум «спонтанной эмиссии», что приводит к снижению уровня шума лазера», — сказал Афлатуни.

«Однако полости с высоким коэффициентом качества дороги и часто громоздки или сложны в проектировании», — сказал он. «Сбор их вместе требует больших затрат и времени, поскольку процесс должен быть предельно точным. Технологии есть, но производители выпускают их всего несколько сотен в год. Они слишком сложны и дороги для массового производства».

Вместо использования дорогих лазеров со сложным или громоздким резонатором PDH-чип исследователей можно использовать в сочетании с лазерами с более простыми резонаторами более низкого качества.

«Мы измеряем шум в фазе лазера, исходящий в основном от случайно генерируемых фотонов в резонаторе лазера, и подаем его обратно в виде тока в усиливающую среду лазера, — сказал Иджади. — Это подавляет шум в фазе лазера. лазер».

Затем исследователи могут запустить «чистый» лазер после этой петли обратной связи, воспроизводя производительность гораздо более дорогого устройства, используя чип размером около квадратного миллиметра.

«Подобно электронным микросхемам CMOS в вашем мобильном телефоне, эти микросхемы PDH могут производиться серийно. Вы могли бы сделать 100 000 из них по несколько долларов каждый», — сказал Афлатуни. «Тогда каждый чип можно комбинировать с недорогим лазером более низкого качества, таким же, который в настоящее время используется в оптоволоконном Интернете. С учетом сборки общая стоимость производства 100 000 встроенных лазеров с использованием этой технологии, вероятно, составит около нескольких десятков долларов за единицу по сравнению с несколькими тысячами долларов для эквивалентных стабильных лазеров с низким уровнем шума, доступных сегодня».

Потенциальное использование такого лазера не ограничивается связью. Для многих единиц научного оборудования также требуются лазеры с высокой стабильностью.

«Эта технология может быть реализована для различных длин волн, что позволяет использовать недорогие портативные спектрометры для медицинской диагностики», — сказал Афлатуни. Современные системы часто используют громоздкий и дорогой лазер. Дешевые лазеры с низким уровнем шума могли бы значительно сократить время лабораторного процесса, позволяя параллельно работать гораздо большему количеству спектрометров, а также сделали бы спектрометры достаточно дешевыми, чтобы их можно было использовать во всех лабораториях по всему миру».

Эта работа выполнена при поддержке программы DARPA DODOS по контракту № HR0011–15-C-0057. Изготовление чипа поддерживалось MOSIS Services.

Поделиться:

Быть терпеливым | Последние разработки в области болезни Альцгеймера

Последние новости

антиамилоидная страховка leqembi (леканемаб)

Да, Medicare покроет новый препарат Лекемби для лечения болезни Альцгеймера

Александра Марвар | 10 июля 2023 г.

Подробнее

ААИК

Ваш путеводитель AAIC 2023: Здоровые варианты есть, пить, исследовать в Амстердаме

Элизабет Хьюитт | 10 июля 2023 г.

На неделе 17 июля ученые, врачи и специалисты по уходу со всего мира соберутся в Амстердаме на международную конференцию Ассоциации Альцгеймера….

Подробнее

Препараты для лечения болезни Альцгеймера антиамилоиды лекемби (леканемаб)

Лекарство от болезни Альцгеймера Leqembi теперь имеет полное традиционное одобрение FDA

Александра Марвар | 7 июля 2023 г.

6 июля 2023 г. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США полностью одобрило лекарство от болезни Альцгеймера Лекемби (общее название леканемаб), препарат моноклональных антител для…

Подробнее

Другие статьи