يستخدم الباحثون الموجات الصوتية لتطوير الاتصالات البصرية

أثبت باحثون من ولاية إلينوي أنه يمكن استخدام الموجات الصوتية لإنتاج صمامات ثنائية ضوئية متناهية الصغر تكون صغيرة بما يكفي لتناسب شريحة الكمبيوتر. قد تساعد هذه الأجهزة، التي تسمى العوازل الضوئية، في حل التحديات الرئيسية المتعلقة بسعة البيانات وحجم النظام للدوائر المتكاملة الضوئية، وهي المعادل الضوئي للدوائر الإلكترونية، والتي تستخدم للحوسبة والاتصالات.

العوازل هي أجهزة غير متبادلة أو "أحادية الاتجاه" تشبه الثنائيات الإلكترونية. إنها تحمي مصادر الليزر من الانعكاسات الخلفية وهي ضرورية لتوجيه الإشارات الضوئية حول الشبكات الضوئية. اليوم، تتطلب التكنولوجيا السائدة لإنتاج مثل هذه الأجهزة غير المتبادلة مواد وقال الباحثون إن خصائصها البصرية تغير استجابة للمجالات المغناطيسية.

قال أستاذ العلوم والهندسة الميكانيكية والمؤلف المشارك للدراسة: "هناك العديد من المشكلات في استخدام المواد المستجيبة مغناطيسيًا لتحقيق تدفق الضوء في اتجاه واحد في الشريحة الضوئية". غوراف باهل. "أولاً، لا تتمتع الصناعة بقدرة جيدة على وضع مغناطيس مدمج على الشريحة. لكن الأهم من ذلك هو أن المواد اللازمة ليست متوفرة بعد في مسابك الضوئيات. ولهذا السبب تحتاج الصناعة بشدة إلى نهج أفضل يستخدم المواد التقليدية فقط ويتجنب المجالات المغناطيسية تمامًا.

وفي دراسة نشرت في المجلة الضوئيات الطبيعةيشرح الباحثون كيف يستخدمون الاقتران الصغير بين الضوء والصوت لتوفير حل فريد يمكّن الأجهزة غير المتبادلة من التعامل مع أي مادة ضوئية تقريبًا.

ومع ذلك، قال الباحثون إن الحجم المادي للجهاز وتوافر المواد ليسا المشاكل الوحيدة في الوضع الحالي للتقنية.

قال طالب الدراسات العليا والمؤلف الرئيسي بنجامين سون: "إن المحاولات المعملية لإنتاج عوازل بصرية مغناطيسية مدمجة كانت تعاني دائمًا من فقدان بصري كبير". "لا تستطيع صناعة الضوئيات تحمل هذه الخسارة المتعلقة بالمواد وتحتاج أيضًا إلى حل يوفر نطاقًا تردديًا كافيًا يمكن مقارنته بالتقنية المغناطيسية التقليدية. حتى الآن، لم يكن هناك أي نهج غير مغناطيسي قادر على المنافسة.

يبلغ حجم الجهاز الجديد 200 × 100 ميكرون فقط - أي أصغر بنحو 10000 مرة من سنتيمتر مربع - وهو مصنوع من نيتريد الألومنيوم، وهي مادة شفافة تنقل الضوء ومتوافقة مع مسابك الضوئيات. "يتم إنتاج الموجات الصوتية بطريقة مشابهة لمكبر الصوت الكهرضغطي، وذلك باستخدام أقطاب كهربائية صغيرة مكتوبة مباشرة على نيتريد الألومنيوم مع شعاع الإلكترون. هذه هي موجات صوتية التي تجبر الضوء داخل الجهاز على السفر في اتجاه واحد فقط. وقال سون: "هذه هي المرة الأولى التي يتجاوز فيها المعزل غير المغناطيسي عرض النطاق الترددي جيجاهيرتز".

يبحث الباحثون عن طرق لزيادة عرض النطاق الترددي أو سعة البيانات لهذه العوازل، وهم واثقون من قدرتهم على التغلب على هذه العقبة. وبمجرد الانتهاء من ذلك، فإنهم يتصورون تطبيقات تحويلية في أنظمة الاتصالات الضوئية، والجيروسكوبات، وأنظمة تحديد المواقع، وضبط الوقت الذري، ومراكز البيانات.

وقال باهل: "تتعامل مراكز البيانات مع كميات هائلة من حركة بيانات الإنترنت وتستهلك كميات كبيرة من الطاقة للتواصل وللحفاظ على برودة الخوادم". "الاتصالات القائمة على الضوء أمر مرغوب فيه لأنه ينتج حرارة أقل بكثير، مما يعني أنه يمكن إنفاق طاقة أقل بكثير على تبريد الخادم أثناء نقل المزيد من البيانات في الثانية."

وبصرف النظر عن الإمكانات التكنولوجية، لا يمكن للباحثين إلا أن ينبهروا بالعلم الأساسي وراء هذا التقدم.

وقال باهل: "في الحياة اليومية، لا نرى تفاعلات الضوء مع الصوت". "يمكن للضوء أن يمر عبر لوح زجاجي شفاف دون أن يفعل أي شيء غريب. لقد وجد مجال بحثنا ذلك ضوء والصوت، في الواقع، يتفاعلان بطريقة دقيقة جدًا. إذا قمت بتطبيق المبادئ الهندسية الصحيحة، فيمكنك هز مادة شفافة بالطريقة الصحيحة لتعزيز هذه التأثيرات وحل هذا التحدي العلمي الكبير. يبدو الأمر سحريًا تقريبًا."