Lys afviser lys

Forskere ved Yale University demonstrerer et fundamentalt nyt optisk fænomen og har vist den anden halvdel af en optisk kraft, der kunne gøre siliciumfotonik-enheder - såsom dem, der bruges i højhastighedskommunikation, netværkskort, endda video- og tv-kabler - hurtigere og mere kapable. .

Optisk motorvej: Yale-forskere genererede frastødende optiske kræfter ved at opdele en enkelt lysstråle, så hver halvdel rejste gennem en forskellig længde af bølgeleder. Fordi den ene halvdel af strålen rejste længere end den anden, ankom de i centerområdet ude af fase, hvilket fik de to bølgeledere til at frastøde hinanden. Når lysstrålerne var i fase, tiltrak de hinanden. De to trekantede former i bunden er de optiske input- og outputporte.

Resultater som disse, der viser nye måder at kontrollere lys på, kommer ikke særlig ofte, siger Oskar Maler , en mikrofotonik-forsker ved Caltech, som ikke var involveret i arbejdet. Der er et skub for at gøre mere med optiske komponenter, tilføjer Painter, og Yale-gruppens resultater er helt nye.

Forskere teoretiserede i 2005, at bittesmå lysstråler indespærret på en siliciumchip kunne tiltrække eller frastøde hinanden, når de placeres tæt på hinanden, svarende til de elektromagnetiske kræfter mellem positive og negative ladninger. Sidste år en gruppe ledet af Yale University professor Hong Tang demonstrerede først den attraktive side af denne optiske kraft. Nu har gruppen demonstreret den anden side af kraften, frastødning, som gør dens virkninger reversible.

Tidligere, siger Mo Li, hovedforfatteren af ​​papiret udgivet i Naturfotonik , de kunne trække med kraften, men de kunne ikke skubbe. Nu kan forskerne begge dele. Præstationen åbner muligheden for at bruge lys til at manipulere lys i mikrofotoniske enheder i stedet for at bruge mekaniske elementer som mikrovarmere eller strømkrævende optiske krystaller.

Selvom kraften er for svag til at blive brugt på større skalaer – to laserpointere kunne for eksempel ikke tiltrække eller frastøde hinanden – virker den optiske kraft stærkt på mikroskalaen, hvilket gør den ideel til ultrahøjhastigheds, al-optisk kontrol af nanomekanisk enheder, ifølge MIT professor i anvendt matematik Steven Johnson . Især peger Johnson på vigtigheden af ​​at kunne skifte mellem tiltrækkende og frastødende optiske kræfter, noget som ikke er blevet eksperimentelt demonstreret før.

Udnyttelse af den optiske kraft skulle muliggøre hurtigere dataoverførsel i applikationer som fiberoptisk telekommunikation, hvor information kan kodes på flere bølgelængder af lys og fremskyndes gennem et enkelt fiberoptisk kabel i en proces kaldet bølgelængdedelingsmultipleksing. Denne proces kræver i øjeblikket at konvertere optiske signaler til elektriske signaler til modulering eller forstærkning, og derefter konvertere dem tilbage til optiske signaler og sende dem på vej. Brug af lys til at manipulere det optiske signal kunne eliminere behovet for elektriske hvilestop langs den fiberoptiske motorvej. Hvis man direkte kan overføre lys til lys, siger Li, bliver det billigere og hurtigere.

Et andet problem med den nuværende optiske multipleksing er, at de enheder, der får processen til at fungere, er relativt store - optager primær ejendom på siliciumwafere - og de skal konstrueres med strategisk placerede mikrovarmere, som bruger temperaturændringer til at indstille hver bølgelængde af lys helt rigtigt. Sådanne enheder er langsomme og kan forårsage krydstale. Andre lysmanipulationsteknikker bruger specielle krystalmaterialer, der reagerer på lys med høj intensitet for at ændre fotoniske enheders materialeegenskaber.

Suspenderet animation: Forskerne suspenderede to bølgeledere (de vandrette blå kabler) for at give dem mulighed for at bevæge sig frit under påvirkning af tiltrækkende og frastødende optiske kræfter. De lodrette blå strukturer er fotoniske krystalbølgelederunderstøtninger.

Yale-gruppens tilgang demonstrerer muligheden for at manipulere en lysstråle med en anden, lige på chippen, uden behov for langsomme, omfangsrige varmeapparater eller eksterne krystaller. Og på grund af deres evne til at udnytte både positive og negative kræfter, kan de nu effektivt fordoble rækkevidden af ​​kontrol over fotonikkredsløb.

Gruppen brugte to identiske bølgeledere - de optiske ækvivalenter af elektroniske ledninger, der omslutter lysstrålerne, der bevæger sig gennem dem - og suspenderede dem i et centralt koblingsområde for at tillade dem at bevæge sig frit under påvirkning af den optiske kraft. Derefter sendte forskerne en laserstråle ind, delte den i to og tvang den ene halvdel gennem en længere bane end den anden. Da de to halvdele af lys rekombinerede, var de ude af fase på grund af at have tilbagelagt forskellige vejlængder. Forskerne fandt ud af, at når lysstrålerne var ude af fase, frastødte deres bølgeledere hinanden, men når lyset var i fase, trak bølgelederne sig tættere sammen. Fordi de kunne ændre faseforskellen mellem strålerne blot ved at justere bølgelængden af ​​indgangslaserlyset, endte forskerne med en ny knap til at styre den optiske kraft i et meget simpelt trin.

Selvom de ikke overførte information eller endda tændte og slukkede kontakter, demonstrerede gruppen med succes eksistensen af ​​- og let at vende mellem - begge sider af styrken. Deres næste skridt, siger Tang, vil være at bygge mere komplekse kredsløb og forbedre effektiviteten af ​​deres teknik. De vil også forsøge at gøre kraften stærkere. Jo større kraft, jo bedre, siger Tang.

Fordelen ved Yale-arbejdet er ifølge Caltechs Painter, at forskerne demonstrerede de kræfter, der blev brugt til at skifte, men de gjorde det også i et siliciumsystem. Det viser løfte om fremtidig integration med mikroelektronikstrukturer, der allerede er behandlet på siliciumchips. Med fleksibiliteten til at kontrollere kræfterne direkte på chippen, ville nøglefunktionalitet blive tilføjet til siliciummikrofotonik-værktøjssættet. Det ultimative mål ville være helt optiske kontakter og enheder, såsom en optisk bus, der overfører information gennem en CPU uden elektroniske dele overhovedet.

skjule