211service.com
Ljus stöter bort ljus
Forskare vid Yale University demonstrerar ett fundamentalt nytt optiskt fenomen och har visat den andra hälften av en optisk kraft som kan göra kiselfotonikenheter – som de som används i höghastighetskommunikation, nätverkskort, till och med video- och TV-kablar – snabbare och mer kapabla. .
Optisk motorväg: Yale-forskare genererade frånstötande optiska krafter genom att dela en enda ljusstråle så att varje halva färdades genom en annan längd av vågledaren. Eftersom ena halvan av strålen färdades längre än den andra, anlände de till mittområdet ur fas, vilket fick de två vågledarna att stöta bort varandra. När ljusstrålarna var i fas lockade de varandra. De två triangulära formerna längst ner är de optiska in- och utgångsportarna.
Resultat som dessa som visar nya sätt att styra ljus kommer inte så ofta, säger Oskar Målare , en mikrofotonikforskare vid Caltech som inte var involverad i arbetet. Det finns en push att göra mer med optiska komponenter, tillägger Painter, och Yale-gruppens resultat är helt nya.
Forskare teoretiserade 2005 att små ljusstrålar inneslutna på ett kiselchip kunde attrahera eller stöta bort varandra när de placerades i närheten, liknande de elektromagnetiska krafterna mellan positiva och negativa laddningar. Förra året en grupp ledd av Yale University professor Hong Tang visade först den attraktiva sidan av denna optiska kraft. Nu har gruppen visat den andra sidan av kraften, repulsion, som gör dess effekter reversibla.
Tidigare, säger Mo Li, huvudförfattaren till tidningen publicerad i Naturfotonik , de kunde dra med kraften, men de kunde inte trycka. Nu kan forskarna göra både och. Genomförandet öppnar möjligheten att använda ljus för att manipulera ljus i mikrofotoniska enheter, snarare än att använda mekaniska element som mikrovärmare eller kraftkrävande optiska kristaller.
Även om kraften är för svag för att användas på större skalor – två laserpekare kunde till exempel inte attrahera eller stöta bort varandra – verkar den optiska kraften starkt på mikroskalan, vilket gör den idealisk för ultrahöghastighet, helt optisk kontroll av nanomekanisk enheter, enligt MIT professor i tillämpad matematik Steven Johnson . Johnson pekar särskilt på vikten av att kunna växla mellan attraherande och frånstötande optiska krafter, något som inte har demonstrerats experimentellt tidigare.
Att utnyttja den optiska kraften bör möjliggöra snabbare dataöverföring i applikationer som fiberoptisk telekommunikation, där information kan kodas på flera våglängder av ljus och snabbas genom en enda fiberoptisk kabel i en process som kallas våglängdsmultiplexering. Denna process kräver för närvarande omvandling av optiska signaler till elektriska signaler för modulering eller förstärkning, och sedan omvandling av dem tillbaka till optiska signaler och skicka dem i väg. Att använda ljus för att manipulera den optiska signalen kan eliminera behovet av elektriska vilostopp längs den fiberoptiska motorvägen. Kan man direkt överföra ljus till ljus, säger Li, blir det billigare och snabbare.
Ett annat problem med nuvarande optisk multiplexering är att enheterna som får processen att fungera är relativt stora – tar upp främsta fastigheter på kiselskivor – och de måste konstrueras med strategiskt placerade mikrovärmare, som använder temperaturförändringar för att justera varje våglängd av ljus precis rätt. Sådana enheter är långsamma och kan orsaka överhörning. Andra ljusmanipuleringstekniker använder speciella kristallmaterial som svarar på högintensivt ljus för att ändra materialegenskaperna hos fotoniska enheter.
Avstängd animering: Forskarna hängde upp två vågledare (de horisontella blå kablarna) för att tillåta dem att röra sig fritt under påverkan av attraktiva och frånstötande optiska krafter. De vertikala blå strukturerna är fotoniska kristallvågledarstöd.
Yale-gruppens tillvägagångssätt visar möjligheten att manipulera en ljusstråle med en annan, direkt på chipet, utan behov av långsamma, skrymmande värmare eller externa kristaller. Och på grund av deras förmåga att utnyttja både positiva och negativa krafter, kan de nu effektivt fördubbla kontrollområdet över fotonikkretsar.
Gruppen använde två identiska vågledare - de optiska motsvarigheterna till elektroniska ledningar, som omsluter ljusstrålarna som rörde sig genom dem - och hängde upp dem i ett centralt kopplingsområde för att tillåta dem att röra sig fritt under påverkan av den optiska kraften. Sedan skickade forskarna in en laserstråle, delade den på mitten och tvingade den ena halvan genom en längre bana än den andra. När de två halvorna av ljus rekombinerade var de ur fas på grund av att de hade färdats olika väglängder. Forskarna fann att när ljusstrålarna var ur fas, stötte deras vågledare bort varandra, men när ljuset var i fas drogs vågledarna närmare varandra. Eftersom de kunde ändra fasskillnaden mellan strålarna bara genom att justera våglängden på det inkommande laserljuset, slutade forskarna med en ny ratt för att kontrollera den optiska kraften i ett mycket enkelt steg.
Även om de inte överförde information eller ens slog på och av strömbrytare, demonstrerade gruppen framgångsrikt existensen av – och lätt att bläddra mellan – båda sidor av kraften. Deras nästa steg, säger Tang, kommer att vara att bygga mer komplexa kretsar och förbättra effektiviteten i deras teknik. De kommer också att försöka göra kraften starkare. Ju större kraft, desto bättre, säger Tang.
Fördelen med Yale-arbetet, enligt Caltechs Painter, är att forskarna demonstrerade krafterna som användes för att byta, men de gjorde det också i ett kiselsystem. Det visar lovande för framtida integration med mikroelektronikstrukturer som redan bearbetas på kiselchips. Med flexibiliteten att kontrollera krafterna direkt på chippet, skulle nyckelfunktioner läggas till kiselmikrofotonikverktyget. Det slutliga målet skulle vara helt optiska omkopplare och enheter, såsom en optisk buss som överför information genom en CPU utan några elektroniska delar alls.