De werking van moderne technologie vereist een steeds toenemend gebruik van breedbandfrequentiesignalen. Dit, beurtelings, de vraag naar betrouwbare, efficiënte methoden van signaaloverdracht die interferentie voorkomen en efficiënter zijn in het gebruik van het schaars beschikbare frequentiespectrum. Deze eisen zijn beperkt, echter, door wederkerigheid - een natuurkundige wet die de transmissie van licht dwingt identiek te zijn in tegengestelde richtingen.

In de afgelopen decennia, wetenschappers en ingenieurs hebben deze uitdagingen aangepakt door isolatoren te maken:apparaten die een extern magnetisch veld gebruiken om lichtgolven in één richting te laten reizen. Maar deze vorm van golfisolatie is kostbaar, en het vereist het gebruik van grote, zware magneten die veel apparaatvastgoed vragen. Een bijkomend nadeel is dat ze niet kunnen worden geïntegreerd in op silicium gebaseerde circuits en systemen.

In het omslagverhaal dat in de . van vandaag is gepubliceerd Natuur Elektronica , onderzoekers van het Advanced Science Research Center (ASRC) van het Graduate Center van de City University of New York (CUNY) en van de University of Texas in Austin beschrijven de ontwikkeling van een nieuwe lichtgolfisolatiemethode die deze uitdagingen kan overwinnen. De innovatieve aanpak vereist geen magneten of enige andere vorm van "externe bias" voor betrouwbare golftransmissie, toch zorgt het voor een zeer efficiënte isolatie van brede bandbreedte.

"We werken al een paar jaar aan het overwinnen van wederkerigheid zonder magneten, " zei Andrea Ali, directeur van het ASRC's Photonics Initiative en Einstein Professor of Physics aan het Graduate Center. "In het verleden hebben we het gebruik van apparaten met bewegende of in de tijd veranderende elementen onderzocht, maar deze benaderingen brengen andere technologische uitdagingen met zich mee. In deze krant, we laten zien dat een niet-magnetisch apparaat dat geen externe voedingsbron heeft, dankzij op maat gemaakte niet-lineariteiten, de transmissiesymmetrie drastisch kan doorbreken en efficiënte breedbandisolatie kan realiseren."

In hun krant de onderzoekers verklaren waarom eerdere pogingen om niet-lineariteiten te gebruiken om isolatie te induceren, met slechte prestaties werden geconfronteerd. Alù en zijn team laten zien dat elk systeem dat gebaseerd is op een enkele niet-lineaire resonator om golven te isoleren inherent wordt beperkt door een kwaliteitsafweging tussen isolatieniveau, bandbreedte, en invoegverlies, waardoor een dergelijk apparaat slecht presteert en onpraktisch is. In hun meest recente experimenten, het team heeft dit probleem kunnen overwinnen en aanpakken met behulp van twee oordeelkundig ontworpen niet-lineaire resonatoren die via een vertragingslijn zijn verbonden, waaruit blijkt dat dit de minimale configuratie is om eenrichtingstransmissie met weinig verlies over een brede bandbreedte mogelijk te maken. De gecombineerde componenten, die op een printplaat zijn gedrukt, vormde een zeer effectieve, volledig passieve isolator die uitstekende signaalintegriteit biedt.

"Onze doorbraak was dat we ons realiseerden dat de slechte prestaties van alle eerdere pogingen om niet-lineaire isolatoren te bouwen, te wijten waren aan een beperking die voortkwam uit tijdomkeersymmetrie, en dat we een manier moeten vinden om deze uitdaging te omzeilen, " zei Dimitrios Sounas, hoofdauteur van de studie en onderzoekwetenschapper aan de Universiteit van Texas. "Verrassend genoeg, wanneer twee niet-lineaire resonatoren zorgvuldig zijn ontworpen en aan elkaar gekoppeld, men kan het beste van twee werelden bereiken:volledige transmissie en oneindige isolatie."

Het team verwacht dat de bevindingen kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan technologieën, inclusief consumentenelektronica, chirurgische lasers, automotive radar- en lidarsystemen en nanofotonische circuits en systemen. De volgende onderzoeksfase zal verschillende benaderingen onderzoeken om de functionaliteit van de isolator te verfijnen, inclusief het mogelijk toevoegen van extra soorten niet-lineaire resonatoren om circulatiepompen en andere apparaten met meerdere poorten te realiseren.