Elektronikteki eşdeğerlerine göre daha hızlı ve daha az enerjiyle çalışan mikroçipler, uzun zamandır fotonik dalının vaadi olmuşlardır. Bununla birlikte, böyle bir devre oluşturmanın zaman içinde zor olduğu kanıtlanmıştır. Yeterince güçlü bir sinyal sağlamak için yeterli çıkış gücüne sahip olmak ana zorluklardan biridir. Bununla birlikte, yeni çip ölçeğinde hafif güç yükselticinin performansı, ticari telekomünikasyonda kullanılan benzer cihazların performansıyla hemen hemen aynıdır.
Artık dünyayı birbirine bağlayan ultra geniş bant fiber optik ağlar vardır. Bu iletişimde Dünya çapında ultra hızlı veri hızlarını mümkün kılan erbiyum katkılı fiber amplifikatörler kullanılmaktadır.
Optik fiberlerden ve diğer ağ bileşenlerinden gelen sinyaller, optik sinyaller uzun mesafelere gönderildiğinden defalarca güçlendirilmek zorunda kalmaktadır.
Erbiyum katkılı fiber amplifikatörler ilk olarak 1980’lerde geliştirilmişti. Bunlar optik darbeleri önce elektrik sinyallerine dönüştürmek zorunda kalmadan yükseltmek için kullanılmaktadır. Bu cihazlar, optik fiberler için en düşük iletim kayıplarına sahip aralık olan 1.55 mikrometre veya 1,550 nanometre dalga boyu aralığında ışığı özel olarak iyileştirebilmekteler.
Fotonik Nedir Ve Fotonik Uygulama Alanları Nelerdir?
Fotonik, emisyon, iletim, modülasyon, sinyal işleme, anahtarlama, amplifikasyon ve algılama yoluyla ışık (foton) üretimi, tespiti ve manipülasyonunun fiziksel bilimi ve uygulamasıdır. Tüm spektrumda ışığın tüm teknik uygulamalarını kapsamasına rağmen, çoğu fotonik uygulama, görünür ve yakın kızılötesi ışık aralığındadır. Fotonik terimi, 1960’ların başında icat edilen ilk pratik yarı iletken ışık yayıcıların ve 1970’lerde geliştirilen optik fiberlerin bir sonucu olarak geliştirildi.
Yazımıza tekrardan dönersek;
İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Tobias Kippenberg çalışmanın amacını şu şekilde açıklıyor.
“Bu çalışmanın en heyecan verici kısmı, amplifikatörlerin ne kadar iyi çalıştığı ve her boyutta sadece birkaç yüz mikron olmasına rağmen ticari amplifikatörlerle aynı düzeyde olmalarıdır.”
Fotonik mikroçiplerin içinde çalışabilen benzer amplifikatörler, uzun yıllardır araştırma hedefi olmuştur.
Bununla birlikte, bu tür çip ölçekli amplifikatörler yaratma girişimleri, esas olarak çiplerin içinde ışığı taşımak için kullanıldı.
Ancak dalga kılavuzlarından kaynaklanan kayıplar nedeniyle, genellikle bir miliwatt’tan daha düşük – birçok gerçek dünya uygulaması için çok düşük – çıkış gücüne sahip cihazlar üretti.
Bu amplifikatörler imalatları, çağdaş fotonik entegre devre üretim teknikleriyle uyumlu değildi.
Şimdi araştırmacılar tarafından çip ölçeğinde erbiyum katkılı bir fiber amplifikatör oluşturuldu. Yalnızca 2,61 mW giriş gücü ve 30 dB’den fazla küçük sinyal kazancı ile yeni cihaz, 145 miliwatt’ın üzerinde rekor yüksek çıkış gücüne sahiptir.
Bu, bin kereden fazla sürekli çalışan bir telekomünikasyon bandı amplifikasyonunu ortaya çıkardı.
Bu, zaten yüksek kaliteli ticari erbiyum katkılı fiber amplifikatörlerin performansına eşit bir performansdır.
Optik mühendisi Kippenberg’e göre bu çalışmanın en heyecan verici kısmı, amplifikatörlerin ne kadar iyi çalıştığıdır. Her boyutta sadece birkaç yüz mikron olmalarına rağmen, ticari amplifikatörlerle eşittirler.
Ek olarak, bu cihazın yarım metre uzunluğa kadar olabilen erbiyum katkılı dalga kılavuzu, yalnızca 1,2 milimetreye 3,6 milimetrelik küçük bir ayak izine sahip bir spirale sıkıştırıldı. Ek olarak, cihazın yaklaşık %60’lık yüksek bir güç dönüştürme verimliliği vardır.
Yarı iletken sektöründe halihazırda yaygın olarak kullanılan silikon nitrür bazlı ultra düşük kayıplı çip ölçekli fotonik dalga kılavuzu, bu yenilikçi teknolojinin temelini oluşturur. Son zamanlarda, Kippenberg ve çalışma arkadaşları, metre uzunluğunda, ultra düşük kayıplı silikon nitrür dalga kılavuzları yarattı. Daha sonra, bu tür dalga kılavuzlarına erbiyum yerleştirerek optik yükselticiler oluşturma olasılığına baktılar.
Kippenberg, ışığın ancak çok yumuşak bir şekilde erbiyum iyonları tarafından güçlendirilebileceğini iddia ediyor. Yalnızca son derece düşük kayıplı optik fiberlere dahil edildiklerinde ve genellikle metre cinsinden ölçülen çok uzun mesafelerde ışıkla etkileşime girdiklerinde kazanç mümkündür.
Testlerde araştırmacılar, soliton mikro peteklerinin çıkış gücünü 100 kat artırabileceklerini gösterdiler. Soliton mikro petekleri spektroskopi, metroloji ve diğer alanlarda kullanılabilir, ancak sadece onlarca ila yüzlerce mikrowatt olan çıkış güçleri nedeniyle, bu alanların neredeyse tamamının sinyali yükseltmesi gerekir.
Bilim adamları ayrıca, cihazlarının 1 kilometre uzunluğundaki bir fiber optik bağlantı üzerinden veri iletimi için 20’den fazla dalga boyu bölmeli çoğullama kanalını doğrudan yükseltebileceğini de ortaya koydu. Bu, telekomünikasyon ağları için çip ölçekli amplifikasyonda kullanılabileceğini gösteriyor.
Araştırmacılar, optik yükselticileri için hala harici bir pompa lazerinin gerekli olduğunu vurguladılar. Sonuç olarak, tüm ünite hala tam olarak entegre değil. Kippenberg’e göre, bu önemli eksikliği gidermek için gelecekteki hibrit entegrasyon gerekli olacak.
Sonuç olarak araştırmacılar optik yükselticilerinin, femtosaniyeler kadar kısa patlamalar üretebilen çip ölçekli, mod kilitli lazerlerin geliştirilmesine katkıda bulunmasını bekliyorlar. İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Lozan’da optik mühendisi olan çalışmanın baş yazarı Yang Liu’ya göre, bu tür cihazların lidar gibi çok çeşitli işlevleri olabilir.
Femtosaniye mod kilitli lazer, tartışmasız kutsal kâsedir ve Kippenberg ve ekibinin şu anda odaklandığı şey de budur.
Kippenberg, “Femtosaniye mod kilitli lazer açıkça kutsal bir kâsedir ve şu anda gözümüze koyduğumuz şey,” diyor.
Kaynak: spectrum.ieee.org
