211service.com
Światło odpycha światło
Demonstrując całkowicie nowe zjawisko optyczne, naukowcy z Yale University wykazali drugą połowę siły optycznej, która może sprawić, że krzemowe urządzenia fotoniczne – takie jak te używane w szybkiej komunikacji, karty sieciowe, a nawet kable wideo i telewizyjne – będą szybsze i bardziej wydajne .
Autostrada optyczna: Naukowcy z Yale wygenerowali odpychające siły optyczne, dzieląc pojedynczą wiązkę światła tak, aby każda połowa przechodziła przez inną długość falowodu. Ponieważ jedna połowa wiązki przemieszczała się dalej niż druga, dotarły do obszaru środkowego w przesuniętej fazie, powodując odpychanie się dwóch falowodów. Kiedy wiązki światła były w fazie, przyciągały się nawzajem. Dwa trójkątne kształty na dole to optyczne porty wejściowe i wyjściowe.
Wyniki takie jak te, pokazujące nowatorskie sposoby kontrolowania światła, nie pojawiają się zbyt często, mówi Oskar Malarz , badacz mikrofotoniki w Caltech, który nie był zaangażowany w prace. Painter dodaje, że istnieje nacisk, aby zrobić więcej z komponentami optycznymi, a wyniki grupy Yale są zupełnie nowe.
W 2005 roku naukowcy wysnuli teorię, że maleńkie wiązki światła zamknięte na chipie krzemowym mogą się przyciągać lub odpychać, gdy są umieszczone w bliskiej odległości, podobnie jak siły elektromagnetyczne między ładunkami dodatnimi i ujemnymi. W zeszłym roku grupa kierowana przez profesora Uniwersytetu Yale Hong Tang po raz pierwszy zademonstrował atrakcyjną stronę tej siły optycznej. Teraz grupa zademonstrowała drugą stronę siły, odpychanie, co sprawia, że jej skutki są odwracalne.
Wcześniej, jak mówi Mo Li, główny autor artykułu opublikowanego w Fotonika przyrody , mogli ciągnąć siłą, ale nie mogli pchać. Teraz naukowcy mogą robić jedno i drugie. Osiągnięcie otwiera możliwość wykorzystania światła do manipulowania światłem w urządzeniach mikrofotonicznych, zamiast używania elementów mechanicznych, takich jak mikrogrzejniki lub energochłonne kryształy optyczne.
Chociaż siła jest zbyt słaba, aby użyć jej w większej skali – na przykład dwa wskaźniki laserowe nie mogą się przyciągać ani odpychać – siła optyczna działa silnie w mikroskali, co czyni ją idealną do ultraszybkiej, całkowicie optycznej kontroli nanomechanicznej urządzenia, według profesora matematyki stosowanej MIT Steven Johnson . W szczególności Johnson wskazuje na znaczenie możliwości przełączania między przyciągającymi i odpychającymi siłami optycznymi, co nie zostało wcześniej zademonstrowane eksperymentalnie.
Wykorzystanie siły optycznej powinno umożliwić szybszy transfer danych w zastosowaniach takich jak telekomunikacja światłowodowa, gdzie informacje mogą być kodowane na wielu długościach fal światła i przesyłane przez pojedynczy kabel światłowodowy w procesie zwanym multipleksowaniem z podziałem długości fali. Proces ten wymaga obecnie konwersji sygnałów optycznych na sygnały elektryczne w celu modulacji lub wzmocnienia, a następnie przekształcenia ich z powrotem w sygnały optyczne i wysłania ich w drogę. Wykorzystanie światła do manipulowania sygnałem optycznym może wyeliminować potrzebę elektrycznych postojów na autostradzie światłowodowej. Jeśli możesz bezpośrednio przenosić światło na światło, mówi Li, będzie to tańsze i szybsze.
Innym problemem związanym z obecnym multipleksowaniem optycznym jest to, że urządzenia, które sprawiają, że proces działa, są stosunkowo duże – zajmują pierwszorzędną powierzchnię na płytkach krzemowych – i muszą być zaprojektowane ze strategicznie rozmieszczonymi mikrogrzejnikami, które wykorzystują zmiany temperatury do dostrojenia każdej długości fali światła dokładnie. Takie urządzenia są powolne i mogą powodować przesłuchy. Inne techniki manipulacji światłem wykorzystują specjalne materiały kryształowe, które reagują na światło o dużej intensywności, aby zmienić właściwości materiałowe urządzeń fotonicznych.
Letargu: Naukowcy zawiesili dwa falowody (poziome niebieskie kable), aby umożliwić im swobodne poruszanie się pod wpływem przyciągających i odpychających sił optycznych. Pionowe niebieskie struktury są nośnikami falowodów z kryształu fotonicznego.
Podejście grupy Yale pokazuje możliwość manipulowania jedną wiązką światła drugą, bezpośrednio na chipie, bez potrzeby stosowania powolnych, nieporęcznych grzejników lub zewnętrznych kryształów. A ze względu na ich zdolność do ujarzmienia zarówno dodatnich, jak i ujemnych sił, mogą teraz skutecznie podwoić zakres kontroli nad obwodami fotoniki.
Grupa użyła dwóch identycznych falowodów – optycznych odpowiedników przewodów elektronicznych, otaczających przechodzące przez nie wiązki światła – i zawiesiła je w centralnym obszarze sprzężenia, aby umożliwić im swobodne poruszanie się pod wpływem siły optycznej. Następnie naukowcy wysłali wiązkę światła laserowego, podzielili ją na pół i przepchnęli jedną połowę dłuższą drogą niż drugą. Kiedy dwie połówki światła zrekombinowały, były w przeciwnej fazie, ponieważ przebyły różne długości drogi. Naukowcy odkryli, że gdy wiązki światła były w przeciwnej fazie, ich falowody odpychały się nawzajem, ale gdy światło było w fazie, falowody zbliżały się do siebie. Ponieważ mogli zmienić różnicę faz między wiązkami, po prostu dostosowując długość fali wejściowego światła laserowego, naukowcy opracowali nowe pokrętło do kontrolowania siły optycznej w bardzo prostym kroku.
Chociaż nie przesyłali informacji ani nawet nie włączali i wyłączali przełączników, grupa z powodzeniem wykazała istnienie – i łatwe przeskakiwanie między – obiema stronami siły. Ich kolejne kroki, mówi Tang, będą polegały na zbudowaniu bardziej złożonych obwodów i poprawie wydajności ich techniki. Będą też próbować wzmocnić siłę. Im większa siła, tym lepiej, mówi Tang.
Zaletą pracy z Yale, według Paintera z Caltech, jest to, że naukowcy zademonstrowali siły używane do przełączania, ale zrobili to również w układzie krzemowym. To daje nadzieję na przyszłą integrację ze strukturami mikroelektronicznymi, które są już przetwarzane na chipach krzemowych. Dzięki elastyczności w kontrolowaniu sił bezpośrednio na chipie, kluczowa funkcjonalność zostałaby dodana do zestawu narzędzi mikrofotoniki krzemowej. Ostatecznym celem byłyby całkowicie optyczne przełączniki i urządzenia, takie jak magistrala optyczna, która przesyła informacje przez procesor bez żadnych części elektronicznych.