De ontwikkeling van glasvezeltechnologie is onmisbaar geweest voor het verhogen van de snelheid waarmee informatie over grote afstanden wordt geleverd door te vertrouwen op licht om informatie te vervoeren in plaats van elektriciteit. Momenteel, inkomende lichtsignalen worden omgezet in elektrische signalen, waarna de informatie die ze bij zich dragen wordt verwerkt. Digitale communicatie en het delen van informatie zou nog sneller en energiezuiniger zijn als licht gedurende het hele proces zou kunnen worden gebruikt, maar er zijn nog steeds aanzienlijke aanvullende vorderingen nodig op het gebied van geïntegreerde optische schakelingen en op licht gebaseerde computers.

In recente jaren, wetenschappers hebben gewerkt aan manieren om niet-wederkerige optische schakelingen te ontwikkelen en te gebruiken - die lichtgolven manipuleert zodat ze slechts in één richting kunnen reizen - om deze uitdagingen op te lossen en het vermogen om grote hoeveelheden informatie te verwerken te verbeteren. Niet-reciproke optische circuits kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om ongewenste reflecties te voorkomen die de gegevensoverdracht verstoren en lichtbronnen op de chip kunnen destabiliseren. In een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift optiek , het vlaggenschip tijdschrift van de Optical Society, onderzoekers van het Advanced Science Research Center (ASRC) van het Graduate Center van de City University of New York (CUNY) hebben een rigoureus theoretisch kader opgesteld dat de fundamentele principes van resonante niet-wederkerige circuits verduidelijkt en enkele openstaande vragen over hun mogelijkheden en beperkingen oplost.

De wetenschap van het bestuderen van niet-reciproke optische circuits staat in veel opzichten nog in de kinderschoenen, en er is grote verwarring ontstaan ​​in de wetenschappelijke literatuur over wat wel of niet mogelijk is in systemen die wederkerigheid verbreken en eenrichtingsvoortplanting van licht mogelijk maken. Recente artikelen hebben betoogd dat niet-wederkerige resonante optische circuits in staat kunnen zijn om voor onbepaalde tijd multi-frequentie lichtgolven op te slaan zonder verlies van integriteit, waardoor apparaten gegevens veel effectiever kunnen verwerken. Maar het nieuwe onderzoek van ASRC-wetenschappers toont aan dat niet-wederkerige circuits geen voordeel bieden in vergelijking met conventionele systemen bij het overwinnen van de gemeenschappelijke wisselwerking tussen de tijdvertraging die kan worden verleend aan een inkomend signaal en de frequentiebandbreedte ervan. een centrale uitdaging in moderne optische computersystemen. Hun theorie verduidelijkt de onderliggende principes die bepalen hoe licht interageert met niet-wederkerige apparaten, het vaststellen van de ultieme limieten in hun prestaties, en de mogelijkheden die ze realistisch kunnen bieden om hun interactie met de binnenkomende signalen te verbeteren.

"We waren geïntrigeerd door recente beweringen over niet-wederkerige apparaten die te mooi leken om waar te zijn, " zei Sander Mann, eerste auteur van het nieuwe artikel en een postdoctoraal onderzoeker van het Graduate Center die in het laboratorium van Andrea Alù werkt, directeur van het ASRC's Photonics Initiative en hoogleraar natuurkunde aan The Graduate Center. "Onze theorie verduidelijkt de fundamentele principes die de voortplanting van licht regelen in resonerende niet-wederkerige apparaten, en toont realistische mogelijkheden om ze te gebruiken op manieren om de optische signaaloverdracht te verbeteren, opslag, verwerken en rekenen."

Naast het verstrekken van strenge, structurele grenzen aan de mogelijkheden van niet-wederkerige apparaten, de door de ASRC-onderzoekers ontwikkelde theorie wijst op verschillende interessante eigenschappen van niet-wederkerige circuits die gunstig kunnen zijn bij het transport van lichtsignalen, en uiteindelijk de snelheid en efficiëntie van de gegevensverwerking te verbeteren.

"Onze groep werkt al een paar jaar aan niet-wederkerige lichtvoortplanting, en we hebben veel mogelijkheden ontdekt die deze eenrichtingsapparaten bieden, " zei Alù. "Terwijl het fenomeen van eenrichtingstransport van licht is vastgesteld, de principes die het beheersen zijn nogal contra-intuïtief en leiden gemakkelijk tot verwarring. Onze nieuw ontwikkelde theorie verduidelijkt de mogelijkheden en limieten van het gebruik van niet-wederkerige apparaten om licht te vertragen, en we onderzoeken nu manieren om in de buurt van de nieuw afgeleide grenzen te werken om de interactie van licht met apparaten op nanoschaal en niet-lineariteiten maximaal te verbeteren."