新しいチップサイズアンプ、光を100倍に増幅

February, 26, 2026, Stanford--スタンフォードで開発された光増幅器は、省エネルギーでスマートフォンに収まるほど小型で、光ファイバネットワークを改善し、バイオセンシングやデータ通信などの新技術を推進する可能性がある。

現代社会では光が多くの役割を果たしており、テレビや衛星、インターネットを海を越えて通信する光ファイバケーブルなど、あらゆる種類の情報技術を可能にしている。スタンフォードの物理学者たちは最近、指先ほどの大きさの装置で、帯域幅を損なわずに低エネルギーで光をさらに効率的に働く方法を見つけた。

音響増幅器と同様に、光増幅器も光信号を受け取り、それを増幅する。現在の小型光増幅器は動作に多くの電力を必要とする。新しい光増幅器は、学術誌Natureで詳述されており、この問題を解決するために使われたエネルギーを本質的にリサイクルする方法を用いている。

「われわれは初めて、真に多用途で低消費電力の光増幅器を実証した。光スペクトル全体で動作でき、チップ上に統合できるほど効率的である。つまり、これまで以上に複雑な光学システムを構築できる」と、この研究の主任著者でありスタンフォード大学人文科学部の物理学准教授、Amir Safavi-Naeiniは語っている。

スタンフォード開発のこのデバイスは、約100倍の増幅、つまり光信号の強度を増加させ、数百mWの電力しか使用しない。これは、既存の同等サイズの光増幅器に通常必要な電力のほんの一部に過ぎない。その効率と小型化により、光アンプはバッテリー駆動で動作可能で、ノートパソコンやスマートフォンで使用可能だった。

電力もノイズも低く
音響増幅器と同様に、光増幅器も信号を増幅する際に不要なノイズを追加する傾向がある。研究チームは、この増幅器ができるだけノイズを減らすことを実証した。また、現在の増幅よりも広い帯域幅を持ち、より広い光学スペクトルに対応している。これらを合わせると、干渉が少ないにもかかわらず、データ伝送能力が向上していることを示している。

この種の光学増幅器は、一種の「ポンプ」として働く光ビームに蓄えられたエネルギーによって駆動され、その性能はその光ビームの強度に依存する。

「このアンプを動かすポンプのエネルギーを再利用することで、より効率的になり、他の特性に影響を及ぼすことはない」と、この研究の共同第一著者でありSafavi-Naeini研究室の博士課程学生Devin Deanはコメントしている。

チームは共振設計を用いてこれを達成した。Deanによると、これはすでにレーザで「エネルギーリサイクルのトリック」として使われているものである。これは、光が二つの鏡の間に閉じ込められた時のように、光を二倍にして、光の強度が増すという作用がある。

この特殊のアンプでは、ポンプ光が共振器内で生成され、競馬場のように円形ループを描いて高強度に増幅されるため、望ましいビームをより効果的にブーストできる。この設計は、より少ない入力電力でより強い強度を提供し、より効率的にしている。

小型で消費電力が少ないため、この光増幅器はバッテリーで駆動でき、スマートフォンのような小型デバイスにも使える。

「それができれば、可能性は非常に広がる。なぜなら、それらが非常に小型なので大量生産し、バッテリーで動かせるからだ。データ通信、バイオセンシング、新しい光源の製造、その他多くの用途に使われる可能性がある」とDeanは話している。