Forscher nutzen Schallwellen, um die optische Kommunikation voranzutreiben

Forscher aus Illinois haben gezeigt, dass Schallwellen zur Herstellung optischer Ultraminiaturdioden verwendet werden können, die klein genug sind, um auf einen Computerchip zu passen. Diese als optische Isolatoren bezeichneten Geräte können dazu beitragen, große Herausforderungen hinsichtlich der Datenkapazität und Systemgröße für photonische integrierte Schaltkreise zu lösen, das lichtbasierte Äquivalent elektronischer Schaltkreise, die für Computer und Kommunikation verwendet werden.

Isolatoren sind nichtreziproke oder „einseitige“ Geräte, die elektronischen Dioden ähneln. Sie schützen Laserquellen vor Rückreflexionen und sind für die Weiterleitung von Lichtsignalen in optischen Netzwerken erforderlich. Die heute vorherrschende Technologie zur Herstellung solcher nichtreziproken Geräte erfordert Materialien die ihre optischen Eigenschaften als Reaktion auf Magnetfelder ändern, sagten die Forscher.

„Es gibt mehrere Probleme bei der Verwendung magnetisch reagierender Materialien, um den Lichtfluss in einer Richtung in einem photonischen Chip zu erreichen“, sagte Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen und Mitautor der Studie Gaurav Bahl. „Erstens ist die Industrie einfach nicht in der Lage, kompakte Magnete auf einem Chip zu platzieren. Noch wichtiger ist jedoch, dass die erforderlichen Materialien in Photonik-Gießereien noch nicht verfügbar sind. Deshalb braucht die Industrie dringend einen besseren Ansatz, der nur konventionelle Materialien verwendet und Magnetfelder gänzlich vermeidet.“

In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Naturphotonikerklären die Forscher, wie sie die winzige Kopplung zwischen Licht und Ton nutzen, um eine einzigartige Lösung bereitzustellen, die nichtreziproke Geräte mit nahezu jedem photonischen Material ermöglicht.

Die physische Größe des Geräts und die Verfügbarkeit von Materialien seien jedoch nicht die einzigen Probleme beim aktuellen Stand der Technik, sagten die Forscher.

„Laborversuche zur Herstellung kompakter magnetisch-optischer Isolatoren waren schon immer mit großen optischen Verlusten behaftet“, sagte Doktorand und Hauptautor Benjamin Sohn. „Die Photonik-Industrie kann sich diesen materialbedingten Verlust nicht leisten und benötigt außerdem eine Lösung, die genügend Bandbreite bietet, um mit der herkömmlichen Magnettechnik vergleichbar zu sein. Bisher gab es keinen magnetlosen Ansatz, der konkurrenzfähig wäre.“

Das neue Gerät ist nur 200 mal 100 Mikrometer groß – etwa 10.000 Mal kleiner als ein Quadratzentimeter – und besteht aus Aluminiumnitrid, einem transparenten Material, das Licht durchlässt und mit Photonik-Gießereien kompatibel ist. „Schallwellen werden ähnlich wie bei einem piezoelektrischen Lautsprecher erzeugt, indem winzige Elektroden mit einem Elektronenstrahl direkt auf das Aluminiumnitrid geschrieben werden. Es sind diese Schallwellen die das Licht innerhalb des Geräts dazu zwingen, sich nur in eine Richtung auszubreiten. Dies ist das erste Mal, dass ein magnetloser Isolator die Gigahertz-Bandbreite überschreitet“, sagte Sohn.

Die Forscher suchen nach Möglichkeiten, die Bandbreite oder Datenkapazität dieser Isolatoren zu erhöhen und sind zuversichtlich, diese Hürde überwinden zu können. Sobald sie perfektioniert sind, stellen sie sich transformative Anwendungen in photonischen Kommunikationssystemen, Gyroskopen, GPS-Systemen, der atomaren Zeitmessung und Datenzentren vor.

„Rechenzentren verarbeiten enorme Mengen an Internet-Datenverkehr und verbrauchen große Mengen Strom für die Vernetzung und die Kühlung der Server“, sagte Bahl. „Lichtbasierte Kommunikation ist wünschenswert, weil sie viel weniger Wärme produziert, was bedeutet, dass viel weniger Energie für die Serverkühlung aufgewendet werden kann und gleichzeitig viel mehr Daten pro Sekunde übertragen werden.“

Abgesehen vom technologischen Potenzial sind die Forscher auch von der grundlegenden Wissenschaft, die hinter diesem Fortschritt steckt, fasziniert.

„Im Alltag sehen wir die Wechselwirkungen von Licht und Ton nicht“, sagte Bahl. „Licht kann durch eine transparente Glasscheibe dringen, ohne etwas Seltsames zu bewirken. Unser Forschungsgebiet hat das herausgefunden Licht und Klang interagieren tatsächlich auf sehr subtile Weise. Wenn Sie die richtigen technischen Prinzipien anwenden, können Sie ein transparentes Material genau richtig schütteln, um diese Effekte zu verstärken und diese große wissenschaftliche Herausforderung zu lösen. Es scheint fast magisch.“