Modern teknik kräver en allt större användning av bredbandsfrekvenssignaler. Detta, i tur och ordning, har ökat efterfrågan på pålitlig, effektiva metoder för signalöverföring som förhindrar störningar och är mer effektiva vid användning av det knappt tillgängliga frekvensspektrumet. Dessa krav är begränsade, dock, genom ömsesidighet – en fysiklag som tvingar överföringen av ljus att vara identisk i motsatta riktningar.

Under de senaste decennierna har forskare och ingenjörer har hanterat dessa utmaningar med skapandet av isolatorer:enheter som använder ett externt magnetfält för att tvinga ljusvågor att resa i en enda riktning. Men denna form av vågisolering är kostsam, och det kräver användning av stora, tunga magneter som kräver mycket apparatfastigheter. En ytterligare nackdel är att de inte kan integreras i kiselbaserade kretsar och system.

I omslagspapperet som publicerades i dagens Nature Electronics , forskare vid Advanced Science Research Center (ASRC) vid Graduate Center vid City University of New York (CUNY) och vid University of Texas i Austin beskriver utvecklingen av en ny ljusvåg-isoleringsmetod som kan övervinna dessa utmaningar. Det innovativa tillvägagångssättet kräver inte magneter eller någon annan form av "extern bias" för pålitlig vågöverföring, men det säkerställer mycket effektiv isolering av bred bandbredd.

"Vi har arbetat med att övervinna ömsesidighet utan magneter i några år, sa Andrea Alù, chef för ASRC:s fotonikinitiativ och Einstein professor i fysik vid Graduate Center. "Tidigare har vi utforskat med hjälp av enheter med rörliga eller tidsförändrande element, men dessa tillvägagångssätt ställer andra tekniska utmaningar. I det här pappret, vi visar att en icke-magnetisk enhet fri från en extern strömkälla-tack vare lämpligt skräddarsydda olineariteter-dramatiskt kan bryta överföringssymmetri och realisera effektiv bredbandsisolering. "

I deras tidning, forskarna förklarar varför tidigare försök att använda icke -lineariteter för att framkalla isolering mött dåliga prestanda. Alù och hans team visar att vilket system som helst baserat på en enda olinjär resonator för att isolera vågor i sig är begränsat av en kvalitetsavvägning mellan isoleringsnivå, bandbredd, och införingsförlust, vilket gör en sådan enhet dålig och opraktisk. I deras senaste experiment, teamet har kunnat övervinna och ta itu med detta problem med hjälp av två klokt utformade olinjära resonatorer som är anslutna via en fördröjningslinje, visar att detta är den minimala konfigurationen för att möjliggöra enförlustöverföring med låg förlust över en bred bandbredd. De kombinerade komponenterna, som trycktes på ett kretskort, bildade en mycket effektiv, helt passiv isolator som ger utmärkt signalintegritet.

"Vårt genombrott var att inse att den dåliga prestandan för alla tidigare försök att bygga olinjära isolatorer låg i en begränsning som härrör från tidsomvändningssymmetri, och att vi måste hitta en väg kring denna utmaning, "sa Dimitrios Sounas, huvudförfattare till studie- och forskare vid University of Texas. "Förvånande, när två olinjära resonatorer är noggrant utformade och kopplade ihop, man kan uppnå det bästa av två världar:full överföring och oändlig isolering. "

Teamet förväntar sig att resultaten kan komma att användas i en mängd olika tekniker, inklusive konsumentelektronik, kirurgiska lasrar, fordonsradar- och lidarsystem och nanofotoniska kretsar och system. Nästa steg i forskningen kommer att undersöka en mängd olika metoder för att finjustera funktionen hos isolatorn, inklusive eventuellt tillägg av ytterligare typer av olinjära resonatorer för att realisera cirkulatorer och andra multi-port-enheter.