Forskere bruger lydbølger til at fremme optisk kommunikation

Illinois -forskere har demonstreret, at lydbølger kan bruges til at producere ultraminiature optiske dioder, der er små nok til at passe på en computerchip. Disse enheder, kaldet optiske isolatorer, kan hjælpe med at løse store datakapacitet og systemstørrelsesudfordringer for fotoniske integrerede kredsløb, den lysbaserede ækvivalent af elektroniske kredsløb, som bruges til computing og kommunikation.

Isolatorer er ikke-gensidige eller "envejs" enheder, der ligner elektroniske dioder. De beskytter laserkilder mod bagreflektioner og er nødvendige for at dirigere lyssignaler rundt om optiske netværk. I dag, den dominerende teknologi til fremstilling af sådanne ikke -gensidige enheder kræver materialer, der ændrer deres optiske egenskaber som reaktion på magnetfelter, sagde forskerne.

"Der er flere problemer med at bruge magnetisk lydhøre materialer til at opnå envejs lysstrøm i en fotonisk chip, "sagde professor i mekanisk videnskab og teknik og medforfatter af undersøgelsen Gaurav Bahl." Først, industrien har simpelthen ikke god mulighed for at placere kompakte magneter på en chip. Men endnu vigtigere, de nødvendige materialer er endnu ikke tilgængelige i fotoniske støberier. Derfor har industrien desperat brug for en bedre tilgang, der kun bruger konventionelle materialer og helt undgår magnetiske felter. "

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Natur fotonik , forskerne forklarer, hvordan de bruger den minimale kobling mellem lys og lyd til at give en unik løsning, der muliggør ikke -gensidige enheder med næsten ethvert fotonisk materiale.

Imidlertid, enhedens fysiske størrelse og tilgængeligheden af ​​materialer er ikke de eneste problemer med den aktuelle teknik, sagde forskerne.

"Laboratorieforsøg med at producere kompakte magnetiske optiske isolatorer har altid været plaget af stort optisk tab, "sagde kandidatstuderende og hovedforfatter Benjamin Sohn." Fotonikindustrien har ikke råd til dette materiale-relaterede tab og har også brug for en løsning, der giver tilstrækkelig båndbredde til at kunne sammenlignes med den traditionelle magnetiske teknik. Indtil nu, der har ikke været en magnetløs tilgang, der er konkurrencedygtig. "

Den nye enhed er kun 200 x 100 mikron stor - cirka 10, 000 gange mindre end en centimeter i kvadrat - og fremstillet af aluminiumnitrid, et gennemsigtigt materiale, der transmitterer lys og er kompatibelt med fotoniske støberier. "Lydbølger produceres på en måde, der ligner en piezoelektrisk højttaler, ved hjælp af bittesmå elektroder skrevet direkte på aluminiumnitridet med en elektronstråle. Det er disse lydbølger, der tvinger lys i enheden til kun at rejse i en retning. Det er første gang, at en magnetløs isolator har overgået gigahertz båndbredde, "Sagde Sohn.

Forskerne leder efter måder at øge båndbredde eller datakapacitet for disse isolatorer og er sikre på, at de kan overvinde denne forhindring. Når det er perfektioneret, de forestiller sig transformative applikationer i fotoniske kommunikationssystemer, gyroskoper, GPS -systemer, atomisk tidtagning og datacentre.

"Datacentre håndterer enorme mængder internetdatatrafik og bruger store mængder strøm til netværk og til at holde serverne kølige, "Sagde Bahl." Lysbaseret kommunikation er ønskelig, fordi den producerer meget mindre varme, hvilket betyder, at der kan bruges meget mindre energi på serverkøling, mens der transmitteres mange flere data pr. sekund. "

Bortset fra det teknologiske potentiale, forskerne kan ikke lade være med at blive betaget af den grundlæggende videnskab bag dette fremskridt.

"I hverdagen, vi ser ikke lysets interaktioner med lyd, "Sagde Bahl." Lys kan passere gennem en gennemsigtig glasrude uden at gøre noget underligt. Vores forskningsområde har fundet ud af, at lys og lyd gør, faktisk, interagere på en meget subtil måde. Hvis du anvender de rigtige ingeniørprincipper, du kan ryste et gennemsigtigt materiale på den helt rigtige måde for at forstærke disse effekter og løse denne store videnskabelige udfordring. Det virker næsten magisk. "