Illinois -forskare har visat att ljudvågor kan användas för att producera ultraminiatura optiska dioder som är små nog att passa på ett datorkrets. Dessa enheter, kallas optiska isolatorer, kan hjälpa till att lösa stora datakapacitet och systemstorleksutmaningar för fotoniska integrerade kretsar, den ljusbaserade motsvarigheten till elektroniska kretsar, som används för beräkning och kommunikation.

Isolatorer är icke-ömsesidiga eller "enkelriktade" enheter som liknar elektroniska dioder. De skyddar laserkällor från ryggreflektioner och är nödvändiga för att dirigera ljussignaler runt optiska nätverk. I dag, den dominerande tekniken för att producera sådana icke -ömsesidiga anordningar kräver material som ändrar deras optiska egenskaper som svar på magnetfält, sa forskarna.

"Det finns flera problem med att använda magnetiskt lyhörda material för att uppnå envägsflödet av ljus i ett fotoniskt chip, "sade professor i mekanisk vetenskap och teknik och medförfattare till studien Gaurav Bahl." Först, industrin har helt enkelt inte bra förmåga att placera kompakta magneter på ett chip. Men ännu viktigare, nödvändigt material är ännu inte tillgängligt i fotoniska gjuterier. Det är därför industrin desperat behöver ett bättre tillvägagångssätt som endast använder konventionella material och helt undviker magnetfält. "

I en studie publicerad i tidskriften Nature Photonics , forskarna förklarar hur de använder den ringa kopplingen mellan ljus och ljud för att ge en unik lösning som möjliggör icke -ömsesidiga enheter med nästan vilket fotoniskt material som helst.

Dock, enhetens fysiska storlek och tillgången på material är inte de enda problemen med den nuvarande tekniken, sa forskarna.

"Laboratorieförsök att producera kompakta magnetiska optiska isolatorer har alltid plågats av stor optisk förlust, "sade doktorand och huvudförfattare Benjamin Sohn." Fotonindustrin har inte råd med denna materialrelaterade förlust och behöver också en lösning som ger tillräckligt med bandbredd för att kunna jämföras med den traditionella magnetiska tekniken. Tills nu, det har inte funnits något magnetfritt tillvägagångssätt som är konkurrenskraftigt. "

Den nya enheten är bara 200 x 100 mikron stor - cirka 10, 000 gånger mindre än en centimeter i kvadrat - och tillverkad av aluminiumnitrid, ett transparent material som överför ljus och är kompatibelt med fotoniska gjuterier. "Ljudvågor produceras på ett sätt som liknar en piezoelektrisk högtalare, med små elektroder skrivna direkt på aluminiumnitrid med en elektronstråle. Det är dessa ljudvågor som tvingar ljus inuti enheten att färdas endast i en riktning. Detta är första gången som en magnetlös isolator har överträffat gigahertz -bandbredd, "Sa Sohn.

Forskarna letar efter sätt att öka bandbredden eller datakapaciteten för dessa isolatorer och är övertygade om att de kan övervinna detta hinder. En gång perfekt, de föreställer sig transformativa applikationer i fotoniska kommunikationssystem, gyroskop, GPS -system, atomisk tidtagning och datacenter.

"Datacenter hanterar enorma mängder internetdatatrafik och förbrukar stora mängder ström för nätverk och för att hålla servrarna svala, "Sa Bahl." Ljusbaserad kommunikation är önskvärd eftersom den producerar mycket mindre värme, vilket innebär att mycket mindre energi kan läggas på serverkylning samtidigt som man överför mycket mer data per sekund. "

Bortsett från den tekniska potentialen, forskarna kan inte låta bli att fascineras av den grundläggande vetenskapen bakom detta framsteg.

"I vardagen, vi ser inte ljusets interaktioner med ljud, "Sa Bahl." Ljus kan passera genom en transparent glasruta utan att göra något konstigt. Vårt forskningsområde har funnit att ljus och ljud gör, faktiskt, interagera på ett mycket subtilt sätt. Om du tillämpar rätt tekniska principer, du kan skaka ett transparent material på precis rätt sätt för att förbättra dessa effekter och lösa denna stora vetenskapliga utmaning. Det verkar nästan magiskt. "