Vridende lys for at muliggøre dataoverførsel med høj kapacitet

For første gang, forskere har brugt bittesmå gear fremstillet af germanium til at generere en hvirvel af snoet lys, der drejer rundt om sin rejseakse, ligesom en proptrækker. Fordi germanium er kompatibelt med silicium, der bruges til at lave computerchips, den nye lyskilde kunne bruges til at øge mængden af ​​data, der kan transmitteres med chipbaseret optisk computing og kommunikation.

Forskerne, fra University of Southampton i Storbritannien, og University of Tokyo, Toyohashi University of Technology og Hitachi Ltd., alle i Japan, beskrive de nye lysemitterende gear i The Optical Society (OSA) journal Optik Express . Med en radius på en mikron eller mindre, 250, 000 af tandhjulene kunne pakkes ind på bare en kvadratmillimeter af en computerchip.

Der er stor interesse i at generere lys, der er snoet, eller har orbital vinkelmoment, på grund af dets fordele for kommunikation og computing. I dag, lys bruges til at bære information ved at variere antallet af udsendte fotoner eller skifte mellem lysets to polarisationstilstande. Med snoet lys, hvert twist kan repræsentere en anden værdi eller et bogstav, muliggør kodning af meget mere information ved hjælp af mindre lys.

"Vores nye mikroudstyr rummer potentialet for en laser, der kan integreres på et siliciumsubstrat - den sidste komponent, der er nødvendig for at skabe et integreret optisk kredsløb på en computer, "sagde avisens første forfatter Abdelrahman Al-Attili, fra University of Southampton. "Disse små optisk-baserede kredsløb bruger snoet lys til at overføre store mængder data."

Brug af belastning til at forbedre lysemission

Det har været umuligt at lave en brugbar miniaturiseret lyskilde på silicium, det materiale, der normalt bruges til at lave computerchips og tilhørende komponenter, fordi materialets egenskaber førte til dårlig lysgenererende effektivitet. Selvom germanium har lignende begrænsninger, påføring af belastning ved at strække det kan forbedre dets lysemissionseffektivitet.

"Tidligere har den stamme, der kunne påføres germanium, ikke var stor nok til effektivt at skabe lys uden at forringe materialet, "sagde Al-Attili." Vores nye microgear-design hjælper med at overvinde denne udfordring. "

Det nye design har mikroudstyr, der er fritstående i kanterne, så de kan strækkes af en oxidfilm, der er aflejret over strukturerne. Dette gør det muligt at påføre trækbelastning uden at bryde germaniumets krystalstruktur. Tandhjulene står på en siliciumpiedestal, der forbinder den med toppen af ​​siliciumsubstratet og lader varmen forsvinde under drift.

For at demonstrere deres nye design, forskerne brugte elektronstråle litografi til at fremstille de meget fine fysiske træk, der danner tandhjulets tænder. De belyste derefter tandhjulene med en standard grøn laser, der ikke udsendte snoet lys. Efter at mikroudstyret har absorberet det grønne lys, genererer det sine egne fotoner, der cirkuleres rundt om kanterne og danner snoet lys, der reflekteres lodret ud af gearet af de periodiske tænder.

Optiske præcisionssimuleringer

Forskerne testede og justerede deres design ved hjælp af computersimuleringer, der modellerer den måde, lyset formerer sig i gearene over nanosekunder eller endda kortere tidsperioder. Ved at sammenligne prototypens lysemission med computersimuleringsresultater, de var i stand til at bekræfte, at gearene genererede snoet lys.

"Vi kan præcist designe vores enhed til at styre antallet af rotationer pr. Udbredelsesbølgelængde og bølgelængden af ​​det udsendte lys, sagde Al-Attili.

Forskerne arbejder nu på at forbedre effektiviteten af ​​lysemission fra germanium -mikroudstyr yderligere. Hvis det lykkes, denne teknologi ville gøre det muligt at integrere tusindvis af lasere på en siliciumchip til overførsel af information.

"Siliciumfabrikationsteknologier, der blev udviklet til at fremstille elektroniske enheder, kan nu anvendes til fremstilling af forskellige optiske enheder, "sagde Al-Attili." Vores mikroudstyr er kun et eksempel på, hvordan disse funktioner kan bruges til at lave nano- og mikroskalaenheder. "