Forscher nutzen Schallwellen, um die optische Kommunikation voranzutreiben

Anonim

Illinois Forscher haben gezeigt, dass Schallwellen verwendet werden können, um ultraminiature optische Dioden zu erzeugen, die klein genug sind, um auf einen Computerchip zu passen. Diese als optische Isolatoren bezeichneten Geräte können dazu beitragen, große Datenkapazitäten und Systemgrößenherausforderungen für photonische integrierte Schaltkreise zu lösen, das lichtbasierte Äquivalent von elektronischen Schaltungen, die für Computer und Kommunikation verwendet werden.

Isolatoren sind nichtreziproke oder "Einweg" -Geräte, die elektronischen Dioden ähnlich sind. Sie schützen Laserquellen vor Rückreflexionen und sind notwendig, um Lichtsignale um optische Netzwerke herum zu leiten. Die dominierende Technologie zur Herstellung solcher nichtreziproker Vorrichtungen erfordert heute Materialien, die ihre optischen Eigenschaften als Reaktion auf Magnetfelder verändern, so die Forscher.

"Es gibt mehrere Probleme bei der Verwendung magnetisch reagierender Materialien, um den Ein-Weg-Lichtfluss in einem photonischen Chip zu erreichen", sagte Professor für mechanische Wissenschaften und Co-Autor der Studie Gaurav Bahl. "Erstens hat die Industrie einfach nicht die Fähigkeit, kompakte Magnete auf einem Chip zu platzieren. Aber noch wichtiger ist, dass die notwendigen Materialien in Photonik-Gießereien noch nicht verfügbar sind. Deshalb braucht die Industrie dringend einen besseren Ansatz, der nur konventionelle Materialien verwendet und magnetische vermeidet Felder insgesamt. "

In einer Studie, die in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht wurde, erklären die Forscher, wie sie die winzige Kopplung zwischen Licht und Schall nutzen, um eine einzigartige Lösung zu liefern, die nichtreziproke Geräte mit nahezu jedem photonischen Material ermöglicht.

Die physikalische Größe des Geräts und die Verfügbarkeit von Materialien sind jedoch nicht die einzigen Probleme mit dem derzeitigen Stand der Technik, so die Forscher.

"Laborversuche zur Herstellung kompakter magnetischer optischer Isolatoren waren schon immer von großen optischen Verlusten geplagt", sagte Doktorand und Hauptautor Benjamin Sohn. "Die Photonikindustrie kann sich diesen materialbedingten Verlust nicht leisten und benötigt auch eine Lösung, die genügend Bandbreite bietet, um mit der traditionellen Magnettechnik vergleichbar zu sein. Bis jetzt gab es keinen magnetfreien Ansatz, der wettbewerbsfähig ist."

Das neue Gerät ist nur 200 mal 100 Mikrometer groß - etwa 10.000 Mal kleiner als ein Quadratzentimeter - und besteht aus Aluminiumnitrid, einem transparenten Material, das Licht durchlässt und mit Photonik-Gießereien kompatibel ist. "Schallwellen werden ähnlich wie bei einem piezoelektrischen Lautsprecher erzeugt, indem winzige Elektroden verwendet werden, die mit einem Elektronenstrahl direkt auf das Aluminiumnitrid geschrieben werden. Es sind diese Schallwellen, die das Licht im Gerät dazu zwingen, nur in eine Richtung zu wandern Mal, dass ein magnetloser Isolator die Gigahertz-Bandbreite übertroffen hat ", sagte Sohn.

Die Forscher suchen nach Möglichkeiten, die Bandbreite oder Datenkapazität dieser Isolatoren zu erhöhen und sind zuversichtlich, dass sie diese Hürde überwinden können. Einmal perfektioniert, stellen sie sich transformative Anwendungen in photonischen Kommunikationssystemen, Gyroskopen, GPS-Systemen, Atomuhren und Datenzentren vor.

"Rechenzentren bewältigen enorme Mengen an Internet-Datenverkehr und verbrauchen große Mengen an Energie für die Vernetzung und für die Kühlung der Server", sagte Bahl. "Lichtbasierte Kommunikation ist wünschenswert, weil sie viel weniger Wärme produziert, was bedeutet, dass viel weniger Energie für die Kühlung des Servers ausgegeben werden kann, während viel mehr Daten pro Sekunde übertragen werden."

Abgesehen von dem technologischen Potenzial können die Forscher nicht umhin, von der grundlegenden Wissenschaft hinter diesem Fortschritt fasziniert zu sein.

"Im Alltag sehen wir die Wechselwirkungen von Licht und Klang nicht", sagt Bahl. "Licht kann durch eine transparente Glasscheibe hindurchtreten, ohne etwas Seltsames zu tun. Unser Forschungsgebiet hat herausgefunden, dass Licht und Ton tatsächlich auf eine sehr subtile Art und Weise interagieren. Wenn Sie die richtigen technischen Prinzipien anwenden, können Sie ein transparentes schütteln Material auf die richtige Art und Weise, um diese Effekte zu verstärken und diese große wissenschaftliche Herausforderung zu lösen. Es scheint fast magisch zu sein. "

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