Optische vezels zijn ons wereldwijde zenuwstelsel, in een oogwenk terabytes aan gegevens over de planeet transporteren.

Terwijl die informatie met de snelheid van het licht over de wereld reist, de energie van de lichtgolven die rondkaatsen in de silica- en polymeervezels, creëren kleine trillingen die leiden tot feedbackpakketten van geluids- of akoestische golven, bekend als 'fononen'.

Deze feedback zorgt ervoor dat het licht zich verspreidt, een fenomeen dat bekend staat als 'Brillouin-verstrooiing'.

Voor het grootste deel van de elektronica- en communicatie-industrie, deze verstrooiing van licht is hinderlijk, het verminderen van de kracht van het signaal. Maar voor een opkomende groep wetenschappers wordt dit feedbackproces aangepast om een ​​nieuwe generatie geïntegreerde schakelingen te ontwikkelen die beloven een revolutie teweeg te brengen in onze 5G- en breedbandnetwerken. sensoren, satelliet communicatie, radarsystemen, verdedigingssystemen en zelfs radioastronomie.

"Het is niet overdreven om te zeggen dat er een renaissance van het onderzoek gaande is in dit proces, " zei professor Ben Eggleton, Directeur van het University of Sydney Nano Institute en co-auteur van een review paper dat vandaag is gepubliceerd in Natuurfotonica .

"Het toepassen van deze interactie tussen licht en geluid op een chip biedt de mogelijkheid voor een derde golf revolutie in geïntegreerde schakelingen."

De micro-elektronica ontdekkingen na de Tweede Wereldoorlog vertegenwoordigden de eerste golf in geïntegreerde schakelingen, wat leidde tot de alomtegenwoordigheid van elektronische apparaten die afhankelijk zijn van siliciumchips, zoals de mobiele telefoon. De tweede golf kwam rond de eeuwwisseling met de ontwikkeling van optische elektronische systemen die de ruggengraat zijn geworden van enorme datacenters over de hele wereld.

Eerst elektriciteit, dan licht. En nu is de derde golf met geluidsgolven.

Professor Eggleton is een toonaangevende onderzoeker die onderzoekt hoe deze foton-fonon-interactie kan worden toegepast om problemen in de echte wereld op te lossen. Zijn onderzoeksteam, gebaseerd op de Sydney Nanoscience Hub en de School of Physics, heeft meer dan 70 papers over het onderwerp geproduceerd.

Samenwerken met andere wereldleiders in het veld, vandaag heeft hij een overzichtsartikel gepubliceerd in Natuurfotonica het schetsen van de geschiedenis en het potentieel van wat wetenschappers 'Brillouin geïntegreerde fotonica' noemen. Zijn co-auteurs zijn professor Christopher Poulton aan de University of Technology Sydney; Professor Peter Rakich van de Yale University; Professor Michael Steel aan de Macquarie University; en professor Gaurav Bahl van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Professor Bahl zei:"Dit artikel schetst de rijke fysica die voortkomt uit zo'n fundamentele interactie als die tussen licht en geluid, die in alle toestanden van materie wordt aangetroffen.

"We zien niet alleen enorme technologische toepassingen, maar ook de rijkdom aan puur wetenschappelijk onderzoek dat mogelijk wordt gemaakt. Brillouin-verstrooiing van licht helpt ons materiaaleigenschappen te meten, transformeren hoe licht en geluid door materialen bewegen, kleine voorwerpen afkoelen, meet ruimte, tijd en traagheid, en zelfs optische informatie transporteren."

Professor Poulton zei:"De grote vooruitgang hier is de gelijktijdige controle van licht- en geluidsgolven op heel kleine schaal.

"Dit soort controle is ongelooflijk moeilijk, niet in de laatste plaats omdat de twee soorten golven extreem verschillende snelheden hebben. De enorme vooruitgang in fabricage en theorie die in dit document wordt geschetst, tonen aan dat dit probleem kan worden opgelost, en dat krachtige interacties tussen licht en geluid, zoals Brillouin-verstrooiing, nu op één enkele chip kunnen worden benut. Dit opent de deur naar een hele reeks toepassingen die optica en elektronica met elkaar verbinden."

Professor Steel zei:"Een van de fascinerende aspecten van geïntegreerde Brillouin-technologie is dat het het bereik omvat van fundamentele ontdekkingen in geluid-licht-interacties op kwantumniveau tot zeer praktische apparaten, zoals flexibele filters in mobiele communicatie."

De verstrooiing van licht veroorzaakt door zijn interactie met akoestische fononen werd voorspeld door de Franse natuurkundige Leon Brillouin in 1922.

Achtergrond informatie

In de jaren zestig en zeventig werd een interessant proces ontdekt waarbij je een verbeterde feedbackloop tussen de fotonen (licht) en fononen (geluid) kon creëren. Dit staat bekend als gestimuleerde Brillouin-verstrooiing (SBS).

In dit SBS-proces worden licht- en geluidsgolven 'gekoppeld', een proces dat wordt versterkt door het feit dat de golflengte van licht en geluid vergelijkbaar zijn, hoewel hun snelheden vele orden van grootte uit elkaar liggen:licht reist 100, 000 keer sneller dan geluid, wat verklaart waarom je bliksem ziet voordat je donder hoort.

Maar waarom zou je de kracht van dit Brillouin-feedbackeffect willen vergroten?

"Het beheren van informatie op een microchip kan veel stroom kosten en veel warmte produceren, ' zei professor Eggleton.

"Naarmate onze afhankelijkheid van optische gegevens is toegenomen, het proces van interactie van licht met micro-elektronicasystemen is problematisch geworden. Het SBS-proces biedt ons een geheel nieuwe manier om optische informatie te integreren in een chipomgeving met behulp van geluidsgolven als buffer om de gegevens te vertragen zonder de warmte die elektronische systemen produceren.

"Verder, geïntegreerde schakelingen die SBS gebruiken, bieden de mogelijkheid om componenten in vlucht- en navigatiesystemen te vervangen die 100 of 1000 keer zwaarder kunnen zijn. Dat zal geen triviale prestatie zijn."

Complexiteit verminderen

Hoe het proces van licht-geluid interactie in bedwang te houden was het knelpunt, maar zoals professor Eggleton en collega's aangeven in: Natuurfotonica vandaag, het afgelopen decennium is er een enorme vooruitgang geboekt.

in 2017, onderzoekers Dr. Birgit Stiller en Moritz Merklein van de Eggleton Group van de Universiteit van Sydney kondigden de eerste overdracht ter wereld aan van licht naar akoestische informatie op een chip. Om het verschil tussen de snelheden van licht en geluid te benadrukken, dit werd beschreven als 'bliksem opslaan in donder'.

Dr. Amol Choudhary heeft dit werk in 2018 verder ontwikkeld, het ontwikkelen van een op chips gebaseerde techniek voor het herstellen van informatie die de noodzaak van omvangrijke verwerkingssystemen elimineerde.

"Het draait allemaal om het verminderen van de complexiteit van deze systemen, zodat we een algemeen conceptueel raamwerk kunnen ontwikkelen voor een compleet geïntegreerd systeem, ' zei professor Eggleton.

Voor de inzet van deze systemen is er een toenemende belangstelling vanuit het bedrijfsleven en de overheid.

Sydney Nano heeft onlangs een samenwerking getekend met de Royal Australian Air Force om samen met het Plan Jericho-programma een revolutie teweeg te brengen in de detectiecapaciteit van RAAF. Bedrijven zoals Lockheed Martin en Harris Corporation werken ook samen met de Eggleton Group.

De uitdagingen die voor ons liggen

Er moeten barrières worden overwonnen voordat dit geïntegreerde systeem op chipschaal commercieel kan worden ingezet, maar de uitbetaling in termen van grootte, gewicht en vermogen (SWAP) zal de moeite waard zijn, zei professor Eggleton.

De eerste uitdaging is om een ​​architectuur te ontwikkelen die microgolf- en radiofrequentieprocessors integreert met optisch-akoestische interacties. Zoals de resultaten van de Eggleton Group laten zien, er zijn grote stappen gezet om dit te bereiken.

Een andere uitdaging is het verminderen van 'ruis' (of interferentie) in het systeem veroorzaakt door ongewenste lichtverstrooiing die de signaal-ruisverhouding verslechtert. Een voorstel is om chips te laten werken bij cryogene temperaturen nabij het absolute nulpunt. Hoewel dit belangrijke praktische implicaties zou hebben, het kan ook kwantumprocessen in het spel brengen, het leveren van meer controle over de foton-fonon interactie.

Er is ook een live onderzoek naar de meest geschikte materialen om deze geïntegreerde systemen op te bouwen. Silicium heeft zijn voor de hand liggende aantrekkingskracht, aangezien de meeste micro-elektronica is gebouwd met behulp van dit goedkope, overvloedig materiaal.

Echter, het silica dat in de optische vezels wordt gebruikt in combinatie met het siliciumsubstraat betekent dat informatie kan weglekken gezien de gelijkenis van materialen.

Het vinden van materialen die elastisch en niet-elastisch genoeg zijn om de licht- en geluidsgolven te bevatten terwijl ze op elkaar inwerken, is een voorgestelde weg. Sommige onderzoeksgroepen gebruiken chalcogenide, een zacht glassubstraat met een hoge brekingsindex en lage stijfheid die de optische en elastische golven kan beperken.

Mede-auteur van de recensie, Professor Staal van Macquarie University, zei:"In dit stadium alle materiële systemen hebben hun sterke en zwakke punten, en dit is nog steeds een gebied van vruchtbaar onderzoek.

Professor Eggleton zei:"Dit nieuwe paradigma in signaalverwerking met behulp van lichtgolven en geluidsgolven opent nieuwe mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek en technologische vooruitgang."