Bøjning af lys rundt i snævre hjørner uden tilbagespredende tab

Ingeniører ved Duke University har demonstreret en enhed, der kan lede fotoner af lys rundt i skarpe hjørner med praktisk talt ingen tab på grund af tilbagespredning, en nøgleegenskab, som vil være nødvendig, hvis elektronik nogensinde skal udskiftes med lysbaserede enheder.

Resultatet blev opnået med fotoniske krystaller bygget på konceptet topologiske isolatorer, som vandt sine opdagere en Nobelpris i 2016. Ved omhyggeligt at kontrollere geometrien af ​​et krystalgitter, forskere kan forhindre lys i at rejse gennem dets indre, mens de transmitterer det perfekt langs overfladen.

Gennem disse begreber, enheden opnår sin næsten perfekte transmission rundt om hjørner på trods af at den er meget mindre end tidligere designs.

Semiconductor Industry Association vurderer, at antallet af elektroniske enheder stiger så hurtigt, at i år 2040, der vil ikke være nok strøm i hele verden til at køre dem alle. En potentiel løsning er at vende sig til masseløse fotoner for at erstatte de elektroner, der i øjeblikket bruges til at transmittere data. Udover at spare energi, fotoniske systemer lover også at være hurtigere og have højere båndbredde.

Fotoner er allerede i brug i nogle applikationer såsom on-chip fotonisk kommunikation. En ulempe ved den nuværende teknologi, imidlertid, er, at sådanne systemer ikke kan dreje eller bøje lys effektivt. Men for at fotoner nogensinde skal erstatte elektroner i mikrochips, at rejse rundt om hjørner i mikroskopiske rum er en nødvendighed.

"Jo mindre enheden er, jo bedre, men vi prøver selvfølgelig også at minimere tab, " sagde Wiktor Walasik, en postdoc i elektro- og computerteknik hos Duke. "Der er mange mennesker, der arbejder på at gøre et helt optisk computersystem muligt. Vi er der ikke endnu, men jeg tror, ​​det er den retning, vi går."

Tidligere demonstrationer har også vist små tab, mens de har ført fotoner rundt om hjørner, men den nye Duke-forskning gør det på en rektangulær enhed, der kun er 35 mikrometer lang og 5,5 mikrometer bred - 100 gange mindre end tidligere demonstrerede ringresonatorbaserede enheder.

I den nye undersøgelse, som udkom online den 12. november i tidsskriftet Natur nanoteknologi , forskere fremstillede topologiske isolatorer ved hjælp af elektronstrålelitografi og målte lystransmittansen gennem en række skarpe drejninger. Resultaterne viste, at hver tur kun resulterede i tab på få procent.

"At lede lys rundt om skarpe hjørner i konventionelle fotoniske krystaller var muligt før, men kun gennem en lang besværlig proces skræddersyet til et specifikt sæt af parametre, " sagde Natasha Litchinitser, professor i elektro- og computerteknik ved Duke. "Og hvis du lavede selv den mindste fejl i dens fremstilling, det mistede mange af de egenskaber, du forsøgte at optimere."

"Men vores enhed vil fungere uanset dens dimensioner eller geometri af fotonernes vej, og fotontransport er 'topologisk beskyttet, '" tilføjede Mikhail Shalaev, en ph.d.-studerende i Litchinitsers laboratorium og førsteforfatter til papiret. "Det betyder, at selvom der er mindre defekter i den fotoniske krystallinske struktur, bølgelederen fungerer stadig meget godt. Den er ikke så følsom over for fabrikationsfejl.«

Forskerne påpeger, at deres enhed også har en stor driftsbåndbredde, er kompatibel med moderne halvlederfremstillingsteknologier, og arbejder ved bølgelængder, der i øjeblikket bruges i telekommunikation.

Forskerne forsøger derefter at gøre deres bølgeleder dynamisk indstillelig for at ændre båndbredden af ​​dens drift. Dette ville gøre det muligt for bølgelederen at blive tændt og slukket efter behag - en anden vigtig funktion for, at alle-optiske foton-baserede teknologier nogensinde bliver en realitet.