211service.com
Licht stoot licht af
Onderzoekers van de Yale University demonstreren een fundamenteel nieuw optisch fenomeen en hebben de tweede helft van een optische kracht aangetoond die silicium fotonica-apparaten, zoals die worden gebruikt in hogesnelheidscommunicatie, netwerkkaarten, zelfs video- en tv-kabels, sneller en beter kunnen maken .
optische snelweg: Yale-onderzoekers genereerden afstotende optische krachten door een enkele lichtstraal te splitsen, zodat elke helft door een andere lengte van de golfgeleider reisde. Omdat de ene helft van de bundel verder reisde dan de andere, kwamen ze uit fase in het middengebied aan, waardoor de twee golfgeleiders elkaar afstoten. Als de lichtstralen in fase waren, trokken ze elkaar aan. De twee driehoekige vormen aan de onderkant zijn de optische invoer- en uitvoerpoorten.
Resultaten zoals deze die nieuwe manieren laten zien om licht te beheersen, komen niet vaak voor, zegt Oskar Schilder , een microfotonica-onderzoeker bij Caltech die niet bij het werk was betrokken. Er is een push om meer te doen met optische componenten, voegt Painter toe, en de resultaten van de Yale-groep zijn totaal nieuw.
Wetenschappers theoretiseerden in 2005 dat kleine lichtbundels die op een siliciumchip zijn opgesloten, elkaar kunnen aantrekken of afstoten wanneer ze dicht bij elkaar worden geplaatst, vergelijkbaar met de elektromagnetische krachten tussen positieve en negatieve ladingen. Vorig jaar een groep onder leiding van professor aan de Yale University Hong Tang demonstreerde voor het eerst de aantrekkelijke kant van deze optische kracht. Nu heeft de groep de tweede kant van de kracht aangetoond, afstoting, waardoor de effecten omkeerbaar zijn.
Eerder, zegt Mo Li, de hoofdauteur van het artikel gepubliceerd in Natuurfotonica , ze konden met de kracht trekken, maar ze konden niet duwen. Nu kunnen de onderzoekers beide doen. De prestatie opent de mogelijkheid om licht te gebruiken om licht in microfotonische apparaten te manipuleren, in plaats van mechanische elementen zoals microverwarmers of energieverslindende optische kristallen.
Hoewel de kracht te zwak is om op grotere schalen te gebruiken - bijvoorbeeld twee laserpointers kunnen elkaar niet aantrekken of afstoten - werkt de optische kracht sterk op microschaal, waardoor het ideaal is voor ultrasnelle, volledig optische controle van nanomechanische apparaten, volgens MIT hoogleraar toegepaste wiskunde Steven Johnson . Johnson wijst met name op het belang om te kunnen schakelen tussen aantrekkende en afstotende optische krachten, iets wat nog niet eerder experimenteel is aangetoond.
Het benutten van de optische kracht moet een snellere gegevensoverdracht mogelijk maken in toepassingen zoals glasvezeltelecommunicatie, waar informatie kan worden gecodeerd op meerdere golflengten van licht en door een enkele glasvezelkabel kan worden versneld in een proces dat multiplexing met golflengteverdeling wordt genoemd. Dit proces vereist momenteel het converteren van optische signalen naar elektrische signalen voor modulatie of versterking, en ze vervolgens terug converteren naar optische signalen en ze op weg sturen. Het gebruik van licht om het optische signaal te manipuleren zou de noodzaak voor elektrische ruststops langs de glasvezelsnelweg kunnen elimineren. Als je licht rechtstreeks naar licht kunt overbrengen, zegt Li, is dat goedkoper en sneller.
Een ander probleem met de huidige optische multiplexing is dat de apparaten die het proces laten werken relatief groot zijn - ze nemen eersteklas onroerend goed in beslag op siliciumwafels - en ze moeten worden ontworpen met strategisch geplaatste microverwarmers, die veranderingen in temperatuur gebruiken om elke golflengte van licht af te stemmen precies goed. Dergelijke apparaten zijn traag en kunnen overspraak veroorzaken. Andere technieken voor lichtmanipulatie gebruiken speciale kristalmaterialen die reageren op licht met hoge intensiteit om de materiaaleigenschappen van fotonische apparaten te veranderen.
Schijndood: De onderzoekers hebben twee golfgeleiders (de horizontale blauwe kabels) opgehangen zodat ze vrij kunnen bewegen onder invloed van aantrekkende en afstotende optische krachten. De verticale blauwe structuren zijn fotonische kristallen golfgeleidersteunen.
De benadering van de Yale-groep toont de mogelijkheid aan om de ene lichtstraal met de andere te manipuleren, precies op de chip, zonder dat er langzame, omvangrijke verwarmingstoestellen of externe kristallen nodig zijn. En vanwege hun vermogen om zowel positieve als negatieve krachten te benutten, kunnen ze nu het controlebereik over fotonica-circuits effectief verdubbelen.
De groep gebruikte twee identieke golfgeleiders - de optische equivalenten van elektronische draden, die de lichtbundels die er doorheen bewegen omhullen - en hing ze op in een centraal koppelgebied zodat ze vrij konden bewegen onder invloed van de optische kracht. Vervolgens stuurden de onderzoekers een straal laserlicht, splitsten deze in tweeën en dwongen de ene helft door een langer pad dan de andere. Toen de twee helften van het licht zich opnieuw combineerden, waren ze uit fase omdat ze verschillende padlengtes hadden afgelegd. De onderzoekers ontdekten dat wanneer de lichtbundels uit fase waren, hun golfgeleiders elkaar afstoten, maar wanneer het licht in fase was, trokken de golfgeleiders dichter naar elkaar toe. Omdat ze het faseverschil tussen de bundels konden veranderen door alleen maar de golflengte van het ingevoerde laserlicht aan te passen, kregen de onderzoekers een nieuwe knop om de optische kracht in een zeer eenvoudige stap te regelen.
Hoewel ze geen informatie overdroegen of zelfs geen schakelaars aan- en uitzetten, toonde de groep met succes het bestaan aan van - en gemakkelijk schakelen tussen - beide kanten van de kracht. Hun volgende stappen, zegt Tang, zullen zijn om complexere circuits te bouwen en de efficiëntie van hun techniek te verbeteren. Ze zullen ook proberen de kracht sterker te maken. Hoe groter de kracht, hoe beter, zegt Tang.
Het voordeel van het Yale-werk, volgens Caltech's Painter, is dat de onderzoekers de krachten die worden gebruikt voor het schakelen hebben aangetoond, maar ze deden het ook in een siliciumsysteem. Dat belooft wat voor toekomstige integratie met micro-elektronica-structuren die al op siliciumchips zijn verwerkt. Met de flexibiliteit om de krachten direct op de chip te beheersen, zou belangrijke functionaliteit worden toegevoegd aan de siliciummicrofotonica-toolkit. Het uiteindelijke doel zou volledig optische schakelaars en apparaten zijn, zoals een optische bus die informatie overbrengt via een CPU zonder elektronische onderdelen.