Исследователи используют звуковые волны для развития оптической связи

Исследователи из Иллинойса продемонстрировали, что звуковые волны можно использовать для производства сверхминиатюрных оптических диодов, которые достаточно малы, чтобы поместиться в компьютерный чип. Эти устройства, называемые оптическими изоляторами, могут помочь решить основные проблемы с емкостью данных и размером системы для фотонных интегральных схем, светового эквивалента электронных схем, которые используются для вычислений и связи.

Изоляторы — это невзаимные или «односторонние» устройства, подобные электронным диодам. Они защищают лазерные источники от обратных отражений и необходимы для маршрутизации световых сигналов по оптическим сетям. Сегодня доминирующая технология производства таких невзаимных устройств требует материалы По словам исследователей, они меняют свои оптические свойства в ответ на магнитные поля.

«Существует несколько проблем с использованием магниточувствительных материалов для достижения одностороннего потока света в фотонном чипе», — сказал профессор механики и инженерии и соавтор исследования. Гаурав Бахл. «Во-первых, у промышленности просто нет хороших возможностей разместить компактные магниты на чипе. Но что еще более важно, необходимые материалы пока недоступны на предприятиях фотоники. Вот почему промышленность отчаянно нуждается в лучшем подходе, который использует только традиционные материалы и вообще исключает магнитные поля».

В исследовании, опубликованном в журнале Природная фотоникаИсследователи объясняют, как они используют незначительную связь между светом и звуком, чтобы обеспечить уникальное решение, позволяющее создавать невзаимные устройства практически с любым фотонным материалом.

Однако, по словам исследователей, физический размер устройства и доступность материалов — не единственные проблемы нынешнего состояния техники.

«Лабораторные попытки создания компактных магнитных оптических изоляторов всегда сопровождались большими оптическими потерями», — сказал аспирант и ведущий автор Бенджамин Зон. «Индустрия фотоники не может позволить себе такие потери, связанные с материалом, и ей также необходимо решение, обеспечивающее достаточную полосу пропускания, сравнимую с традиционными магнитными технологиями. До сих пор не существовало конкурентоспособного безмагнитного подхода».

Новое устройство имеет размер всего 200 на 100 микрон – примерно в 10 000 раз меньше квадратного сантиметра – и изготовлено из нитрида алюминия, прозрачного материала, который пропускает свет и совместим с литейными производствами фотоники. «Звуковые волны генерируются аналогично пьезоэлектрическому динамику с использованием крошечных электродов, записываемых непосредственно на нитрид алюминия электронным лучом. Это эти звуковые волны которые заставляют свет внутри устройства двигаться только в одном направлении. Это первый случай, когда безмагнитный изолятор превысил полосу пропускания в гигагерцовом диапазоне», — сказал Сон.

Исследователи ищут способы увеличить пропускную способность или емкость данных этих изоляторов и уверены, что смогут преодолеть это препятствие. После их совершенствования они предвидят революционные применения в системах фотонной связи, гироскопах, системах GPS, атомном хронометрировании и центрах обработки данных.

«Центры обработки данных обрабатывают огромные объемы интернет-трафика и потребляют большое количество энергии для работы сети и охлаждения серверов», — сказал Бал. «Световая связь желательна, поскольку она выделяет гораздо меньше тепла, а это означает, что на охлаждение сервера можно тратить гораздо меньше энергии, одновременно передавая гораздо больше данных в секунду».

Помимо технологического потенциала, исследователи не могут не быть загипнотизированы фундаментальной наукой, стоящей за этим достижением.

«В повседневной жизни мы не видим взаимодействия света со звуком», — сказал Бахл. «Свет может проходить через прозрачное стекло, не делая ничего странного. Наша область исследований показала, что свет и звук на самом деле взаимодействуют очень тонким образом. Если вы примените правильные инженерные принципы, вы сможете правильно встряхнуть прозрачный материал, чтобы усилить эти эффекты и решить эту серьезную научную задачу. Это кажется почти волшебным».