Kablet til lyd:En tredje bølge dukker op i integrerede kredsløb

Optiske fibre er vores globale nervesystem, transporterer terabyte med data på tværs af planeten på et øjeblik.

Når denne information bevæger sig med lysets hastighed over hele kloden, energien fra lysbølgerne, der hopper rundt inde i silica- og polymerfibrene, skaber små vibrationer, der fører til feedback-pakker af lyd eller akustiske bølger, kendt som 'fononer'.

Denne feedback får lys til at sprede sig, et fænomen kendt som 'Brillouin -spredning'.

For det meste af elektronik- og kommunikationsindustrien, denne spredning af lys er til gene, reduktion af signalets kraft. Men for en ny gruppe videnskabsmænd bliver denne feedback-proces tilpasset til at udvikle en ny generation af integrerede kredsløb, der lover at revolutionere vores 5G- og bredbåndsnetværk, sensorer, satellitkommunikation, radarsystemer, forsvarssystemer og endda radioastronomi.

"Det er ingen overdrivelse at sige, at der er en forskningsmæssig renæssance i denne proces i gang, " sagde professor Ben Eggleton, Direktør for University of Sydney Nano Institute og medforfatter til et review paper offentliggjort i dag i Natur fotonik .

"Anvendelsen af ​​denne interaktion mellem lys og lyd på en chip giver mulighed for en tredje-bølge revolution i integrerede kredsløb."

Mikroelektronikfundene efter Anden Verdenskrig repræsenterede den første bølge i integrerede kredsløb, hvilket førte til udbredelsen af ​​elektroniske enheder, der er afhængige af siliciumchips, såsom mobiltelefonen. Den anden bølge kom ved begyndelsen af ​​dette århundrede med udviklingen af ​​optiske elektroniksystemer, der er blevet rygraden i enorme datacentre rundt om i verden.

Først elektricitet og derefter lys. Og nu er den tredje bølge med lydbølger.

Professor Eggleton er en verdensførende forsker, der undersøger, hvordan man anvender denne foton-fonon-interaktion til at løse problemer i den virkelige verden. Hans forskerhold baseret på Sydney Nanoscience Hub og School of Physics har produceret mere end 70 artikler om emnet.

Samarbejde med andre globale ledere på området, i dag har han publiceret en anmeldelsesartikel i Natur fotonik skitserer historien og potentialet for det, forskerne omtaler som 'Brillouin integreret fotonik'. Hans medforfattere er professor Christopher Poulton ved University of Technology Sydney; professor Peter Rakich fra Yale University; professor Michael Steel ved Macquarie University; og professor Gaurav Bahl fra University of Illinois i Urbana-Champaign.

Professor Bahl sagde:"Dette papir skitserer den rige fysik, der opstår fra en så fundamental interaktion som den mellem lys og lyd, som findes i alle materiens tilstande.

"Vi ser ikke kun enorme teknologiske anvendelser, men også den rigdom af rene videnskabelige undersøgelser, der er muliggjort. Brillouin spredning af lys hjælper os med at måle materialeegenskaber, transformere, hvordan lys og lyd bevæger sig gennem materialer, køle små genstande ned, måle rummet, tid og inerti, og endda transportere optisk information."

Professor Poulton sagde:"Det store fremskridt her er i den samtidige kontrol af lys- og lydbølger på virkelig små skalaer.

"Denne type kontrol er utrolig vanskelig, ikke mindst fordi de to typer bølger har ekstremt forskellige hastigheder. De enorme fremskridt inden for fremstilling og teori, der er skitseret i dette papir, viser, at dette problem kan løses, og at kraftfulde interaktioner mellem lys og lyd, såsom Brillouin-spredning, nu kan udnyttes på en enkelt chip. Dette åbner døren til en lang række applikationer, der forbinder optik og elektronik. "

Professor Steel sagde:"Et af de fascinerende aspekter ved integreret Brillouin-teknologi er, at den spænder fra fundamentale opdagelser i lyd-lys-interaktioner på kvanteniveau til meget praktiske enheder, såsom fleksible filtre i mobilkommunikation."

Spredningen af ​​lys forårsaget af dets interaktion med akustiske fononer blev forudsagt af den franske fysiker Leon Brillouin i 1922.

Baggrundsinformation

I 1960'erne og 1970'erne blev der opdaget en interessant proces, hvor man kunne skabe en forbedret feedback-loop mellem fotonerne (lys) og fononer (lyd). Dette er kendt som stimuleret Brillouin-spredning (SBS).

I denne SBS-proces 'kobles' lys- og lydbølger, en proces, der forstærkes af, at bølgelængden af ​​lys og lyd er ens, selvom deres hastigheder er mange størrelsesordener fra hinanden:lys rejser 100, 000 gange hurtigere end lyd, hvilket forklarer hvorfor du ser lyn før du hører torden.

Men hvorfor vil du gerne øge styrken af ​​denne Brillouin-feedback-effekt?

"Håndtering af information på en mikrochip kan optage meget strøm og producere meget varme, " sagde professor Eggleton.

"Efterhånden som vores afhængighed af optiske data er blevet større, processen med interaktion mellem lys og mikroelektroniksystemer er blevet problematisk. SBS-processen giver os en helt ny måde at integrere optisk information i et chipmiljø ved hjælp af lydbølger som buffer til at bremse dataene uden den varme, som elektroniske systemer producerer.

"Yderligere, integrerede kredsløb ved hjælp af SBS giver mulighed for at udskifte komponenter i fly- og navigationssystemer, der kan være 100 eller 1000 gange tungere. Det vil ikke være en triviel præstation."

Reducerer kompleksitet

Hvordan man kan indeholde processen med lys-lyd-interaktion har været stikpunktet, men som professor Eggleton og kolleger påpeger i Natur fotonik i dag, det seneste årti har set enorme fremskridt.

I 2017, Forskerne Dr. Birgit Stiller og Moritz Merklein fra Eggleton Group ved University of Sydney annoncerede den verdensførste overførsel af lys til akustisk information på en chip. For at understrege forskellen mellem lysets og lydens hastigheder, dette blev beskrevet som 'opbevaring af lyn inde i torden'.

Dr. Amol Choudhary videreudviklede dette arbejde i 2018, udvikling af en chip-baseret informationsgendannelsesteknik, der eliminerede behovet for omfangsrige behandlingssystemer.

"Det handler om at reducere kompleksiteten af ​​disse systemer, så vi kan udvikle en generel konceptuel ramme for et komplet integreret system, " sagde professor Eggleton.

Der er stigende interesse fra industri og regering for implementeringen af ​​disse systemer.

Sydney Nano har for nylig underskrevet et partnerskab med Royal Australian Air Force for at arbejde med sit Plan Jericho -program for at revolutionere RAAF's sansekapacitet. Virksomheder som Lockheed Martin og Harris Corporation arbejder også med Eggleton Group.

Udfordringerne forude

Der er barrierer at overvinde, før dette integrerede system i chipskala kan implementeres kommercielt, men udbyttet i form af størrelse, vægt og kraft (SWAP) vil være indsatsen værd, sagde professor Eggleton.

Den første udfordring er at udvikle en arkitektur, der integrerer mikrobølge- og radiofrekvensprocessorer med optisk-akustisk interaktion. Som Eggleton Groups resultater viser, der har været store fremskridt i retning af at opnå dette.

En anden udfordring kommer med at reducere 'støj' (eller interferens) i systemet forårsaget af uønsket lysspredning, der forringer signal-til-støj-forholdet. Et forslag er at have chips, der opererer ved kryogene temperaturer nær det absolutte nulpunkt. Selvom dette ville have betydelige praktiske konsekvenser, det kunne også bringe kvanteprocesser i spil, leverer større kontrol over foton-fonon-interaktionen.

Der er også en direkte undersøgelse af de mest passende materialer til at bygge disse integrerede systemer på. Silicium har sine åbenlyse attraktioner, da det meste mikroelektronik er bygget ved hjælp af denne billige, rigeligt materiale.

Imidlertid, den silica, der bruges i de optiske fibre, når den er koblet sammen med siliciumsubstratet, betyder, at information kan lække ud på grund af ligheden mellem materialer.

At finde materialer, der er elastiske og uelastiske nok til at indeholde lys- og lydbølgerne, mens de tillader dem at interagere, er en foreslået vej. Nogle forskergrupper bruger chalcogenid, et blødt glassubstrat med et højt brydningsindeks og lav stivhed, der kan begrænse de optiske og elastiske bølger.

Medforfatter til anmeldelsen, Professor Steel fra Macquarie University, sagde:"På dette stadium, alle materialesystemer har deres styrker og svagheder, og dette er stadig et område med frugtbar forskning.

Professor Eggleton sagde:"Dette nye paradigme inden for signalbehandling ved hjælp af lysbølger og lydbølger åbner nye muligheder for grundlæggende forskning og teknologiske fremskridt."