Optiska fibrer är vårt globala nervsystem, transportera terabyte med data över planeten på ett ögonblick.

När denna information färdas med ljusets hastighet över hela världen, ljusvågornas energi som studsar inuti kiseldioxiden och polymerfibrer skapar små vibrationer som leder till feedbackpaket med ljud eller akustiska vågor, känd som 'fononer'.

Denna feedback gör att ljus sprids, ett fenomen som kallas 'Brillouin -spridning'.

För större delen av elektronik- och kommunikationsindustrin, denna spridning av ljus är en olägenhet, minska signalens effekt. Men för en ny grupp forskare anpassas denna feedbackprocess för att utveckla en ny generation integrerade kretsar som lovar att revolutionera våra 5G- och bredbandsnät, sensorer, satellitkommunikation, radarsystem, försvarssystem och till och med radioastronomi.

"Det är ingen överdrift att säga att det pågår en forskningsrenässans i denna process, "sade professor Ben Eggleton, Direktör för University of Sydney Nano Institute och medförfattare till ett granskningsdokument som publicerades idag i Nature Photonics .

"Tillämpningen av denna interaktion mellan ljus och ljud på ett chip ger möjlighet till en tredje vågrevolution i integrerade kretsar."

Mikroelektronikfynden efter andra världskriget representerade den första vågen i integrerade kretsar, vilket ledde till allestädes närvarande elektroniska enheter som är beroende av kiselchips, som mobiltelefonen. Den andra vågen kom i början av detta sekel med utvecklingen av optiska elektroniksystem som har blivit ryggraden i enorma datacenter runt om i världen.

Först el sedan ljus. Och nu är den tredje vågen med ljudvågor.

Professor Eggleton är en världsledande forskare som undersöker hur man använder denna foton-fonon-interaktion för att lösa problem i verkligheten. Hans forskargrupp baserad på Sydney Nanoscience Hub och School of Physics har tagit fram mer än 70 artiklar om ämnet.

Arbeta med andra globala ledare inom området, idag har han publicerat en recensionsartikel i Nature Photonics som beskriver historien och potentialen för vad forskare kallar "Brillouin integrerad fotonik". Hans medförfattare är professor Christopher Poulton vid University of Technology Sydney; Professor Peter Rakich från Yale University; Professor Michael Steel vid Macquarie University; och professor Gaurav Bahl från University of Illinois i Urbana-Champaign.

Professor Bahl sa:"Detta dokument beskriver den rika fysik som kommer från en så grundläggande interaktion som mellan ljus och ljud, som finns i alla materiella tillstånd.

"Vi ser inte bara enorma tekniska tillämpningar, men också den mängd rena vetenskapliga undersökningar som möjliggörs. Brillouinspridning av ljus hjälper oss att mäta materialegenskaper, förvandla hur ljus och ljud rör sig genom material, kyla ner små föremål, mäta utrymme, tid och tröghet, och även transportera optisk information. "

Professor Poulton sa:"Det stora framsteget här är den samtidiga kontrollen av ljus- och ljudvågor på riktigt små skalor.

"Denna typ av kontroll är otroligt svår, inte minst för att de två typerna av vågor har extremt olika hastigheter. De enorma framstegen inom tillverkning och teori som beskrivs i detta dokument visar att detta problem kan lösas, och att kraftfulla interaktioner mellan ljus och ljud som Brillouin -spridning nu kan utnyttjas på ett enda chip. Detta öppnar dörren till en mängd applikationer som ansluter optik och elektronik. "

Professor Steel sa:"En av de fascinerande aspekterna av integrerad Brillouin-teknik är att den spänner över allt från grundläggande upptäckter i ljud-ljusinteraktioner på kvantnivå till mycket praktiska enheter, till exempel flexibla filter i mobilkommunikation. "

Spridningen av ljus som orsakades av dess interaktion med akustiska fononer förutspåddes av franska fysikern Leon Brillouin 1922.

Bakgrundsinformation

Under 1960- och 1970 -talen upptäcktes en intressant process där du kunde skapa en förbättrad återkopplingsslinga mellan fotonerna (ljus) och fononer (ljud). Detta kallas stimulerad Brillouinspridning (SBS).

I denna SBS -process "kopplas" ljus- och ljudvågor, en process som förstärks av det faktum att ljusets och ljudets våglängd är liknande, även om deras hastigheter är många storleksordningar från varandra:ljuset färdas 100, 000 gånger snabbare än ljud, vilket förklarar varför du ser blixtnedslag innan du hör åska.

Men varför skulle du vilja öka kraften i denna Brillouin -feedback -effekt?

"Hantering av information om ett mikrochip kan ta mycket kraft och producera mycket värme, "Sade professor Eggleton.

"Eftersom vårt beroende av optisk data har ökat, processen för ljusets interaktion med mikroelektroniksystem har blivit problematisk. SBS -processen erbjuder oss ett helt nytt sätt att integrera optisk information i en chipmiljö med hjälp av ljudvågor som en buffert för att bromsa data utan värmen som elektroniska system producerar.

"Ytterligare, integrerade kretsar med SBS erbjuder möjlighet att byta ut komponenter i flyg- och navigationssystem som kan vara 100- eller 1000 gånger tyngre. Det kommer inte att vara en trivial prestation. "

Minskar komplexiteten

Hur man kan innehålla processen för ljus-ljud-interaktion har varit stickpunkten, men som professor Eggleton och kollegor påpekar i Nature Photonics i dag, det senaste decenniet har sett enorma framsteg.

År 2017, forskarna Dr Birgit Stiller och Moritz Merklein från Eggleton Group vid University of Sydney tillkännagav världens första överföring av ljus till akustisk information på ett chip. För att betona skillnaden mellan ljusets och ljudets hastigheter, detta beskrevs som "lagra blixtar inuti åska".

Dr Amol Choudhary vidareutvecklade detta arbete under 2018, utveckla en chipbaserad teknik för återställning av information som eliminerade behovet av skrymmande bearbetningssystem.

"Det handlar om att minska komplexiteten i dessa system så att vi kan utveckla en allmän konceptuell ram för ett komplett integrerat system, "Sade professor Eggleton.

Det finns ett ökande intresse från industrin och regeringen för distribution av dessa system.

Sydney Nano har nyligen tecknat ett partnerskap med Royal Australian Air Force för att arbeta med sitt plan Jericho -program för att revolutionera RAAF:s avkänningsförmåga. Företag som Lockheed Martin och Harris Corporation arbetar också med Eggleton Group.

Utmaningarna framöver

Det finns hinder att övervinna innan detta integrerade chip-skala system kan distribueras kommersiellt, men utbetalningen när det gäller storlek, vikt och kraft (SWAP) kommer att vara värt ansträngningen, Professor Eggleton sa.

Den första utmaningen är att utveckla en arkitektur som integrerar mikrovågs- ​​och radiofrekvensprocessorer med optisk-akustiska interaktioner. Som Eggleton Groups resultat visar, det har gått stora steg mot att uppnå detta.

En annan utmaning är att minska ”brus” (eller störningar) i systemet orsakat av oönskad ljusspridning som försämrar signal-brusförhållandet. Ett förslag är att ha chips som arbetar vid kryogena temperaturer nära absolut noll. Även om detta skulle få betydande praktiska konsekvenser, det kan också sätta kvantprocesser i spel, levererar större kontroll av foton-fonon-interaktionen.

Det finns också en liveundersökning om det mest lämpliga materialet för att bygga dessa integrerade system. Kisel har sina uppenbara attraktioner med tanke på att de flesta mikroelektronik är byggda med denna billiga, mycket material.

Dock, kiseldioxiden som används i de optiska fibrerna när den är kopplad till kiselsubstratet innebär att information kan läcka ut med tanke på materialens likhet.

Att hitta material som är elastiska och oelastiska nog för att innehålla ljus- och ljudvågorna samtidigt som de kan interagera är en föreslagen väg. Vissa forskargrupper använder kalkogenid, ett mjukt glasunderlag med högt brytningsindex och låg styvhet som kan begränsa de optiska och elastiska vågorna.

Medförfattare till recensionen, Professor Steel från Macquarie University, sade:"I detta skede, alla materiella system har sina styrkor och svagheter, och detta är fortfarande ett område med fruktbar forskning.

Professor Eggleton sa:"Detta nya paradigm inom signalbehandling med ljusvågor och ljudvågor öppnar nya möjligheter för grundläggande forskning och tekniska framsteg."