Forskare vid Michigan Tech har kartlagt en brusreducerande magneto-optisk respons som inträffar i fiberoptisk kommunikation, öppna dörren för ny materialteknik.

Optiska signaler som produceras av laserkällor används i stor utsträckning i fiberoptisk kommunikation, som fungerar genom att pulsera information förpackad som ljus genom kablar, även på stora avstånd, från en sändare till en mottagare. Genom denna teknik är det möjligt att överföra telefonsamtal, Internetmeddelanden, och kabel-tv-bilder. Den stora fördelen med denna teknik framför elektrisk signalöverföring är dess bandbredd — nämligen mängden information som kan sändas.

Ny forskning från ett samarbete mellan Michigan Technological University och Argonne National Laboratory förbättrar ytterligare optisk signalbehandling, vilket kan leda till tillverkning av ännu mindre fiberoptiska enheter.

Artikeln, avslöjar en oväntad mekanism i optisk icke-ömsesidighet – utvecklad av forskargruppen Miguel Levy, professor i fysik vid Michigan Tech - har publicerats i tidskriften Optica . "Boosting Optical Nonreciprocity:Surface Reconstruction in Iron Garnets" förklarar det kvant- och kristallografiska ursprunget till en ny yteffekt i icke-reciprok optik som förbättrar bearbetningen av optiska signaler.

Tyst optiska signaler

En optisk komponent som kallas den magneto-optiska isolatorn förekommer överallt i dessa optiska kretsar. Dess funktion är att skydda laserkällan - platsen där ljus genereras före överföring - från oönskat ljus som kan reflekteras tillbaka från nedströms. Varje sådant ljus som kommer in i laserhålan äventyrar den överförda signalen eftersom den skapar den optiska ekvivalenten av brus.

"Optiska isolatorer fungerar på en mycket enkel princip:ljus som går i framåtriktningen släpps igenom; ljus som går i bakåtriktningen stoppas, ", sa Levy. "Detta verkar bryta mot en fysisk princip som kallas tidsomkastningssymmetri. Fysikens lagar säger att om du vänder på tiden – om du reser bakåt i tiden – hamnar du precis där du började. Därför, ljuset som går tillbaka bör hamna inuti lasern. Men det gör det inte. Isolatorer uppnår denna bedrift genom att magnetiseras. Norra och södra magnetiska poler i enheten byter inte platser för ljus som kommer tillbaka. Så riktningar framåt och bakåt ser faktiskt annorlunda ut än färdljuset. Detta fenomen kallas optisk icke-reciprocitet, " han sa.

För Michigan Techs FEI 200kV Titan Themis Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) (en av endast två Titans i delstaten Michigan), hela världen är en scen.

Optiska isolatorer måste miniatyriseras för integration på chipet i optiska kretsar, en process som liknar integreringen av transistorer i datorchips. Men den integrationen kräver utveckling av materialteknologier som kan producera effektivare optiska isolatorer än vad som är tillgängligt för närvarande.

Det senaste arbetet från Levys forskargrupp har visat en förbättring av storleksordningen i den fysiska effekten som är ansvarig för isolatorns funktion. Detta fynd, observeras i nanoskala järngranatfilmer, öppnar upp möjligheten till mycket mindre enheter. Ny materialteknologisk utveckling av denna effekt beror på att förstå dess kvantumbas.

Forskargruppens resultat ger just denna typ av förståelse. Detta arbete gjordes i samarbete med fysikstudenten Sushree Dash, Tillämpad kemisk och morfologisk analys Laboratoriets personalingenjör Pinaki Mukherjee och Argonne National Laboratory personalforskare Daniel Haskel och Richard Rosenberg.

Optica-artikeln förklarar ytans roll i de elektroniska övergångarna som är ansvariga för det observerade förbättrade magnetoptiska svaret. Dessa observerades med hjälp av Argonnes Advanced Photon Source. Kartläggning av ytrekonstruktionen som ligger bakom dessa effekter gjordes möjlig genom det toppmoderna scanningstransmissionselektronmikroskopet som förvärvades av Michigan Tech för två år sedan. Den nya förståelsen av magneto-optisk respons ger ett kraftfullt verktyg för vidareutveckling av förbättrade materialteknologier för att främja integrationen av icke-reciproka enheter i optiska kretsar.