Gennembrud i styring af lystransmission

Driften af ​​moderne teknologi kræver en stadig stigende brug af bredbåndsfrekvenssignaler. Det her, på tur, har øget efterspørgslen efter pålidelig, effektive metoder til signaloverførsel, der forhindrer interferens og er mere effektive i deres anvendelse af det knap tilgængelige frekvensspektrum. Disse krav er begrænsede, imidlertid, ved gensidighed - en fysiklov, der tvinger lysets transmission til at være identisk i modsatte retninger.

I de sidste årtier har forskere og ingeniører har løst disse udfordringer med oprettelsen af ​​isolatorer:enheder, der bruger et eksternt magnetfelt til at tvinge lysbølger til at rejse i en enkelt retning. Men denne form for bølgeisolering er dyr, og det kræver brug af store, tunge magneter, der kræver meget enhedsejendomme. En yderligere ulempe er, at de ikke kan integreres i siliciumbaserede kredsløb og systemer.

I forsidebladet, der blev offentliggjort i dag Naturelektronik , forskere ved Advanced Science Research Center (ASRC) ved Graduate Center ved City University of New York (CUNY) og ved University of Texas i Austin beskriver udviklingen af ​​en ny lysbølge-isoleringsmetode, der kan overvinde disse udfordringer. Den innovative tilgang kræver ikke magneter eller nogen anden form for "ekstern bias" for pålidelig bølgetransmission, alligevel sikrer det højeffektiv isolering af bred båndbredde.

"Vi har arbejdet på at overvinde gensidighed uden magneter i et par år, "sagde Andrea Alù, direktør for ASRC's Photonics Initiative og Einstein professor i fysik ved Graduate Center. "Tidligere har vi undersøgt ved hjælp af enheder med bevægelige eller tidsændrende elementer, men disse fremgangsmåder udgør andre teknologiske udfordringer. I denne avis, vi viser, at en ikke-magnetisk enhed fri for en ekstern strømkilde-takket være passende skræddersyede ikke-lineariteter-dramatisk kan bryde transmissionssymmetri og realisere effektiv bredbåndsisolering. "

I deres papir, forskerne forklarer, hvorfor tidligere forsøg på at bruge ikke -lineariteter til at fremkalde isolation stod over for dårlige præstationer. Alù og hans team viser, at ethvert system baseret på en enkelt ikke-lineær resonator for at isolere bølger i sig selv er begrænset af en kvalitetsafvejning mellem isolationsniveau, båndbredde, og tab af indsættelse, gør enhver sådan enhed dårligt effektiv og upraktisk. I deres seneste forsøg, teamet har været i stand til at overvinde og løse dette problem ved hjælp af to fornuftigt designede ikke -lineære resonatorer, der er forbundet via en forsinkelseslinje, viser, at dette er den minimale konfiguration for at muliggøre lavtab envejs transmission over en bred båndbredde. De kombinerede komponenter, som blev trykt på et printkort, dannede en yderst effektiv, fuldt passiv isolator, der giver fremragende signalintegritet.

"Vores gennembrud var at indse, at den dårlige præstation af alle tidligere forsøg på at bygge ikke-lineære isolatorer lå i en begrænsning, der stammer fra tidsomvendt symmetri, og at vi skal finde en vej udenom denne udfordring, "sagde Dimitrios Sounas, hovedforfatter af undersøgelsen og forsker ved University of Texas. "Overraskende, når to ikke -lineære resonatorer er omhyggeligt designet og koblet sammen, man kan opnå det bedste fra begge verdener:fuld transmission og uendelig isolation. "

Teamet forventer, at resultaterne kan finde anvendelse i en række forskellige teknologier, herunder forbrugerelektronik, kirurgiske lasere, bilradar- og lidarsystemer og nanofotoniske kredsløb og systemer. Den næste fase af forskningen vil undersøge en række forskellige metoder til at finjustere isolatorens funktionalitet, herunder potentielt tilføjelse af yderligere typer ikke-lineære resonatorer til realisering af cirkulatorer og andre multi-port-enheder.