นักวิจัยใช้คลื่นเสียงเพื่อพัฒนาการสื่อสารด้วยแสง

นักวิจัยในรัฐอิลลินอยส์ได้แสดงให้เห็นว่าคลื่นเสียงสามารถใช้ในการผลิตไดโอดแสงขนาดเล็กพิเศษที่เล็กพอที่จะใส่ลงในชิปคอมพิวเตอร์ได้ อุปกรณ์เหล่านี้เรียกว่าตัวแยกแสง อาจช่วยแก้ปัญหาความจุข้อมูลหลักและความท้าทายด้านขนาดระบบสำหรับวงจรรวมโฟโตนิก ซึ่งเทียบเท่ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้แสง ซึ่งใช้สำหรับการประมวลผลและการสื่อสาร

ไอโซเลเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ไม่เปลี่ยนกลับหรือ "ทางเดียว" คล้ายกับไดโอดอิเล็กทรอนิกส์ พวกมันปกป้องแหล่งกำเนิดเลเซอร์จากการสะท้อนกลับ และจำเป็นสำหรับการกำหนดเส้นทางสัญญาณไฟรอบๆ เครือข่ายออปติก ในปัจจุบัน เทคโนโลยีที่โดดเด่นสำหรับการผลิตอุปกรณ์ที่ไม่เอื้ออำนวยดังกล่าวจำเป็นต้องมี วัสดุ ที่เปลี่ยนคุณสมบัติทางแสงเพื่อตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก นักวิจัยกล่าว

“มีปัญหาหลายประการในการใช้วัสดุที่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กเพื่อให้แสงไหลทางเดียวในชิปโฟโตนิก” ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์เครื่องกลและวิศวกรรมศาสตร์และผู้เขียนร่วมของการศึกษากล่าว เการาฟ บาห์ล. “ประการแรก อุตสาหกรรมไม่มีความสามารถที่ดีในการวางแม่เหล็กขนาดเล็กบนชิป แต่ที่สำคัญกว่านั้น ยังไม่มีวัสดุที่จำเป็นในโรงหล่อโฟโตนิกส์ นั่นคือเหตุผลที่อุตสาหกรรมต้องการแนวทางที่ดีกว่านี้อย่างยิ่งซึ่งใช้เฉพาะวัสดุทั่วไปและหลีกเลี่ยงสนามแม่เหล็กโดยสิ้นเชิง”

ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสาร โฟโตนิกส์ธรรมชาตินักวิจัยอธิบายว่าพวกเขาใช้การเชื่อมต่อที่เล็กจิ๋วระหว่างแสงและเสียงเพื่อมอบโซลูชันที่เป็นเอกลักษณ์ที่ช่วยให้อุปกรณ์ที่ไม่ซึ่งกันและกันมีวัสดุโฟโตนิกเกือบทุกชนิด

อย่างไรก็ตาม ขนาดทางกายภาพของอุปกรณ์และความพร้อมของวัสดุไม่ได้เป็นเพียงปัญหาเดียวของความทันสมัยในปัจจุบัน นักวิจัยกล่าว

“ความพยายามในห้องปฏิบัติการในการผลิตตัวแยกแสงแม่เหล็กขนาดกะทัดรัดมักประสบปัญหาการสูญเสียการมองเห็นจำนวนมาก” นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและผู้เขียนนำ Benjamin Sohn กล่าว “อุตสาหกรรมโฟโตนิกส์ไม่สามารถทนต่อการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับวัสดุได้ และยังต้องการโซลูชันที่ให้แบนด์วิธเพียงพอที่จะเทียบเคียงได้กับเทคนิคแม่เหล็กแบบดั้งเดิม จนถึงขณะนี้ยังไม่มีแนวทางแบบไร้แม่เหล็กที่สามารถแข่งขันได้”

อุปกรณ์ใหม่นี้มีขนาดเพียง 200 x 100 ไมครอน ซึ่งเล็กกว่าหนึ่งเซนติเมตรกำลังสองประมาณ 10,000 เท่า และทำจากอะลูมิเนียมไนไตรด์ ซึ่งเป็นวัสดุโปร่งใสที่ส่งผ่านแสงและเข้ากันได้กับโรงหล่อโฟโตนิกส์ “คลื่นเสียงถูกสร้างขึ้นในลักษณะที่คล้ายคลึงกับลำโพงเพียโซอิเล็กทริก โดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเขียนลงบนอะลูมิเนียมไนไตรด์โดยตรงด้วยอิเล็กโทรดขนาดเล็ก มันคือสิ่งเหล่านี้ คลื่นเสียง ที่บังคับให้แสงภายในเครื่องเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวเท่านั้น นี่เป็นครั้งแรกที่ตัวแยกแม่เหล็กแบบไม่มีแม่เหล็กมีแบนด์วิธเกินกิกะเฮิรตซ์” Sohn กล่าว

นักวิจัยกำลังมองหาวิธีเพิ่มแบนด์วิธหรือความจุข้อมูลของตัวแยกสัญญาณเหล่านี้ และมั่นใจว่าจะสามารถเอาชนะอุปสรรคนี้ได้ เมื่อสมบูรณ์แบบแล้ว พวกเขามองเห็นการประยุกต์ใช้การเปลี่ยนแปลงในระบบการสื่อสารโฟโตนิก ไจโรสโคป ระบบ GPS การจับเวลาแบบอะตอมมิก และศูนย์ข้อมูล

“ศูนย์ข้อมูลจัดการการรับส่งข้อมูลอินเทอร์เน็ตจำนวนมหาศาลและใช้พลังงานจำนวนมากสำหรับเครือข่ายและเพื่อรักษาความเย็นของเซิร์ฟเวอร์” Bahl กล่าว “การสื่อสารแบบใช้แสงเป็นที่ต้องการเนื่องจากสร้างความร้อนได้น้อยกว่ามาก ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้พลังงานน้อยลงในการระบายความร้อนของเซิร์ฟเวอร์ในขณะที่ส่งข้อมูลต่อวินาทีได้มากขึ้น”

นอกเหนือจากศักยภาพทางเทคโนโลยีแล้ว นักวิจัยอดไม่ได้ที่จะหลงใหลในวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังความก้าวหน้านี้

“ในชีวิตประจำวัน เราไม่เห็นปฏิสัมพันธ์ของแสงและเสียง” Bahl กล่าว “แสงสามารถทะลุผ่านบานกระจกใสได้โดยไม่ทำอะไรแปลก ๆ สาขาการวิจัยของเราพบว่า แสงสว่าง และเสียงก็มีปฏิกิริยาโต้ตอบในลักษณะที่ละเอียดอ่อนมาก หากคุณใช้หลักการทางวิศวกรรมที่ถูกต้อง คุณสามารถเขย่าวัสดุโปร่งใสด้วยวิธีที่ถูกต้องเพื่อเพิ่มผลกระทบเหล่านี้ และแก้ปัญหาความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญนี้ได้ มันดูเกือบจะมีมนต์ขลังเลย”