Onderzoekers uit Illinois hebben aangetoond dat geluidsgolven kunnen worden gebruikt om ultraminiatuur optische diodes te produceren die klein genoeg zijn om op een computerchip te passen. Deze apparaten, optische isolatoren genoemd, kan helpen bij het oplossen van grote uitdagingen op het gebied van gegevenscapaciteit en systeemomvang voor fotonische geïntegreerde schakelingen, het op licht gebaseerde equivalent van elektronische schakelingen, die worden gebruikt voor computers en communicatie.

Isolatoren zijn niet-wederkerige of "one-way" apparaten vergelijkbaar met elektronische diodes. Ze beschermen laserbronnen tegen reflecties van achteren en zijn nodig voor het routeren van lichtsignalen rond optische netwerken. Vandaag, de dominante technologie voor het produceren van dergelijke niet-wederkerige apparaten vereist materialen die hun optische eigenschappen veranderen als reactie op magnetische velden, aldus de onderzoekers.

"Er zijn verschillende problemen met het gebruik van magnetisch reagerende materialen om de eenrichtingsstroom van licht in een fotonische chip te bereiken, " zei professor mechanische wetenschappen en techniek en co-auteur van de studie Gaurav Bahl. "Ten eerste, de industrie is eenvoudigweg niet in staat om compacte magneten op een chip te plaatsen. Maar belangrijker, de benodigde materialen zijn nog niet beschikbaar in fotonica-gieterijen. Daarom heeft de industrie dringend behoefte aan een betere aanpak die alleen conventionele materialen gebruikt en magnetische velden helemaal vermijdt."

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica , de onderzoekers leggen uit hoe ze de minuscule koppeling tussen licht en geluid gebruiken om een ​​unieke oplossing te bieden die niet-wederkerige apparaten met bijna elk fotonisch materiaal mogelijk maakt.

Echter, de fysieke grootte van het apparaat en de beschikbaarheid van materialen zijn niet de enige problemen met de huidige stand van de techniek, aldus de onderzoekers.

"Laboratoriumpogingen om compacte magnetische optische isolatoren te produceren zijn altijd geplaagd door grote optische verliezen, "Zei afgestudeerde student en hoofdauteur Benjamin Sohn. "De fotonica-industrie kan dit materiaalgerelateerde verlies niet betalen en heeft ook een oplossing nodig die voldoende bandbreedte biedt om vergelijkbaar te zijn met de traditionele magnetische techniek. Tot nu, er is geen magneetloze benadering geweest die concurrerend is."

Het nieuwe apparaat is slechts 200 bij 100 micron groot - ongeveer 10, 000 keer kleiner dan een vierkante centimeter - en gemaakt van aluminiumnitride, een transparant materiaal dat licht doorlaat en compatibel is met fotonica-gieterijen. "Geluidsgolven worden geproduceerd op een manier die vergelijkbaar is met een piëzo-elektrische luidspreker, met behulp van kleine elektroden die met een elektronenstraal rechtstreeks op het aluminiumnitride zijn geschreven. Het zijn deze geluidsgolven die het licht in het apparaat dwingen om slechts in één richting te reizen. Dit is de eerste keer dat een magneetloze isolator de gigahertz-bandbreedte heeft overtroffen, ' zei Sohn.

De onderzoekers zoeken naar manieren om de bandbreedte of datacapaciteit van deze isolatoren te vergroten en zijn ervan overtuigd dat ze deze hindernis kunnen overwinnen. Eenmaal geperfectioneerd, ze zien transformatieve toepassingen in fotonische communicatiesystemen, gyroscopen, GPS-systemen, atomaire tijdwaarneming en datacenters.

"Datacenters verwerken enorme hoeveelheden internetdataverkeer en verbruiken grote hoeveelheden stroom voor netwerken en om de servers koel te houden, "Bahl zei. "Op licht gebaseerde communicatie is wenselijk omdat het veel minder warmte produceert, wat betekent dat er veel minder energie kan worden besteed aan serverkoeling terwijl er veel meer gegevens per seconde worden verzonden."

Afgezien van het technologische potentieel, de onderzoekers kunnen niet anders dan gebiologeerd zijn door de fundamentele wetenschap achter deze vooruitgang.

"In het dagelijkse leven, we zien de interacties van licht met geluid niet, "Zei Bahl. "Licht kan door een transparante ruit gaan zonder iets vreemds te doen. Ons onderzoeksgebied heeft uitgewezen dat licht en geluid in feite, op een heel subtiele manier met elkaar omgaan. Als je de juiste technische principes toepast, je kunt een transparant materiaal op de juiste manier schudden om deze effecten te versterken en deze grote wetenschappelijke uitdaging op te lossen. Het lijkt bijna magisch."