För första gången, forskare har använt små kugghjul gjorda av germanium för att generera en virvel av vriden ljus som svänger runt sin resaxel ungefär som en korkskruv. Eftersom germanium är kompatibelt med det kisel som används för att göra datorchips, den nya ljuskällan kan användas för att öka mängden data som kan överföras med chipbaserad optisk beräkning och kommunikation.

Forskarna, från University of Southampton i Storbritannien, och University of Tokyo, Toyohashi University of Technology och Hitachi Ltd., allt i Japan, beskriv de nya ljusemitterande kugghjulen i tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express . Med en radie på en mikron eller mindre, 250, 000 av växlarna kunde packas in på bara en kvadratmillimeter av ett datorkort.

Det finns ett stort intresse för att generera ljus som vrids, eller har orbital vinkelmoment, på grund av dess fördelar för kommunikation och datorer. I dag, ljus används för att bära information genom att variera antalet fotoner som avges eller växla mellan ljusets två polariseringstillstånd. Med vriden ljus, varje vridning kan representera ett annat värde eller bokstav, möjliggör kodning av mycket mer information med mindre ljus.

"Våra nya mikroväxlar har potentialen för en laser som kan integreras på ett kiselsubstrat - den sista komponenten som behövs för att skapa en integrerad optisk krets på en dator, "sade tidningens första författare Abdelrahman Al-Attili, från University of Southampton. "Dessa små optiskt baserade kretsar använder vriden ljus för att överföra stora mängder data."

Använder töjning för att förbättra ljusutsläpp

Det har varit omöjligt att göra en användbar miniatyriserad ljuskälla på kisel, det material som vanligtvis används för att göra datorchips och tillhörande komponenter, eftersom materialets egenskaper ledde till dålig ljusgenererande effektivitet. Även om germanium har liknande begränsningar, applicering av töjning genom att sträcka den kan förbättra dess ljusutsläppseffektivitet.

"Tidigare, påfrestningen som kunde appliceras på germanium inte var tillräckligt stor för att effektivt skapa ljus utan att försämra materialet, "sade Al-Attili." Vår nya mikroutrustning hjälper till att övervinna denna utmaning. "

Den nya designen har mikroutrustning som är fristående vid kanterna så att de kan sträckas av en oxidfilm som läggs över strukturerna. Detta gör att dragspänning kan appliceras utan att bryta germaniumets kristallstruktur. Kugghjulen står på en kiselsockel som ansluter den till toppen av kiselsubstratet och låter värmen försvinna under drift.

För att demonstrera sin nya design, forskarna använde elektronstrålelitografi för att tillverka de mycket fina fysiska egenskaperna som bildar kugghjulens tänder. De belyste sedan växlarna med en vanlig grön laser som inte avgav vridet ljus. Efter att mikroanordningen har absorberat det gröna ljuset genererar det sina egna fotoner som cirkulerar runt kanterna och bildar vriden ljus som reflekteras vertikalt ut ur växeln av de periodiska tänderna.

Optiska precisionssimuleringar

Forskarna testade och justerade sin design med hjälp av datasimuleringar som modellerar hur ljus sprider sig i växlarna över nanosekunder eller ännu kortare tidsperioder. Genom att jämföra prototypens ljusemission med datorsimuleringsresultat, de kunde bekräfta att kugghjulen genererade vridet ljus.

"Vi kan exakt utforma vår enhet för att styra antalet rotationer per förökningsvåglängd och våglängden för det utsända ljuset, sa Al-Attili.

Forskarna arbetar nu med att ytterligare förbättra effektiviteten av ljusutsläpp från germanium -mikroutrustningarna. Om det lyckas, denna teknik skulle göra det möjligt att integrera tusentals lasrar på ett kiselchip för överföring av information.

"Teknik för tillverkning av kisel som utvecklats för att göra elektroniska enheter kan nu tillämpas för att göra olika optiska enheter, "sa Al-Attili." Våra mikroutrustningar är bara ett exempel på hur dessa funktioner kan användas för att göra nano- och mikroskalaenheter. "