Små kredsløb, lange afstande:Mindre lysbehandlingsenheder til fiberoptisk kommunikation

Forskere ved Michigan Tech har kortlagt en støjreducerende magneto-optisk respons, der forekommer i fiberoptisk kommunikation, åbner døren for nye materialeteknologier.

Optiske signaler produceret af laserkilder bruges i vid udstrækning i fiberoptisk kommunikation, som virker ved at pulsere information pakket som lys gennem kabler, selv på store afstande, fra en sender til en modtager. Gennem denne teknologi er det muligt at overføre telefonsamtaler, internet beskeder, og kabel-tv-billeder. Den store fordel ved denne teknologi frem for elektrisk signaltransmission er dens båndbredde – nemlig, mængden af ​​information, der kan udsendes.

Ny forskning fra et samarbejde mellem Michigan Technological University og Argonne National Laboratory forbedrer yderligere den optiske signalbehandling, hvilket kunne føre til fremstilling af endnu mindre fiberoptiske enheder.

Artiklen, afsløre en uventet mekanisme i optisk ikke-gensidighed – udviklet af forskergruppen Miguel Levy, professor i fysik ved Michigan Tech - er blevet offentliggjort i tidsskriftet Optica . "Boosting Optical Nonreciprocity:Surface Reconstruction in Iron Garnets" forklarer den kvante- og krystallografiske oprindelse af en ny overfladeeffekt i ikke-gensidig optik, der forbedrer behandlingen af ​​optiske signaler.

Stille optiske signaler

En optisk komponent kaldet den magneto-optiske isolator optræder allestedsnærværende i disse optiske kredsløb. Dens funktion er at beskytte laserkilden - det sted, hvor lys genereres før transmission - mod uønsket lys, der kan reflekteres tilbage fra nedstrøms. Ethvert sådant lys, der kommer ind i laserhulrummet, bringer det transmitterede signal i fare, fordi det skaber den optiske ækvivalent af støj.

"Optiske isolatorer arbejder efter et meget simpelt princip:lys, der går i fremadgående retning, slippes igennem; lys, der går i baglæns retning, stoppes, " sagde Levy. "Dette ser ud til at overtræde et fysisk princip kaldet tidsvendingssymmetri. Fysikkens love siger, at hvis du vender tidens retning – hvis du rejser baglæns i tiden – ender du præcis, hvor du startede. Derfor, lyset, der går tilbage, skulle ende inde i laseren. Men det gør den ikke. Isolatorer opnår denne bedrift ved at blive magnetiseret. Nord- og sydmagnetiske poler i enheden skifter ikke plads til lys, der vender tilbage. Så retninger frem og tilbage ser faktisk anderledes ud end rejselyset. Dette fænomen kaldes optisk ikke-gensidighed, " han sagde.

For Michigan Techs FEI 200kV Titan Themis Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) (en af ​​kun to Titans i staten Michigan), hele verden er en scene.

Optiske isolatorer skal miniaturiseres til integration på chip i optiske kredsløb, en proces, der ligner integrationen af ​​transistorer i computerchips. Men den integration kræver udvikling af materialeteknologier, der kan producere mere effektive optiske isolatorer end de nuværende tilgængelige.

Nyligt arbejde fra Levys forskningsgruppe har påvist en forbedring af størrelsesordenen i den fysiske effekt, der er ansvarlig for isolatordrift. Dette fund, observerbar i nanoskala jerngranatfilm, åbner mulighed for meget mindre enheder. Ny materialeteknologisk udvikling af denne effekt afhænger af forståelsen af ​​dens kvantegrundlag.

Forskergruppens resultater giver netop denne form for forståelse. Dette arbejde blev udført i samarbejde med fysik kandidatstuderende Sushree Dash, Anvendt kemisk og morfologisk analyse Laboratoriets stabingeniør Pinaki Mukherjee og Argonne National Laboratory-medarbejdere Daniel Haskel og Richard Rosenberg.

Optica-artiklen forklarer overfladens rolle i de elektroniske overgange, der er ansvarlige for den observerede forbedrede magneto-optiske respons. Disse blev observeret ved hjælp af Argonnes Advanced Photon Source. Kortlægning af overfladerekonstruktionen, der ligger til grund for disse effekter, blev muliggjort gennem det avancerede scanningstransmissionselektronmikroskop erhvervet af Michigan Tech for to år siden. Den nye forståelse af magneto-optisk respons giver et kraftfuldt værktøj til videreudvikling af forbedrede materialeteknologier for at fremme integrationen af ​​ikke-gensidige enheder i optiske kredsløb.