Topologia avuksi fotoniikkaan

Yhdistämällä teoreettiset havainnot kokeellisiin tuloksiin fyysikot esittelevät uuden optoelektronisten rakenteen, joka voisi auttaa optisen kuidun viestinnän tehostamisessa.

Uusi Nature-lehdessä julkaistu tutkimus kuvaa uudenlaisia optisia rakenteita, jotka säteilevät valoa yksisuuntaisesti. Uutta menetelmää voidaan käyttää monenlaisissa optoelektronisissa sovelluksissa energiankulutuksen vähentämiseksi valokuituverkoissa ja datakeskuksissa.

Samalla se osoittaa kuinka uusia topologian teorioita voidaan käyttää olemassa olevan tekniikan parantamiseksi.

Tutkimuksen toteuttivat Ph.D. opiskelija Jicheng Jin, apulaisprofessori Bo Zhen, molemmat Penn Statesta sekä tutkijat Pekingin yliopistosta ja Massachusetts Institute of Technologystä.

Valo kulkee optisissa kuiduissa yhteen suuntaan, kuten vesi putkessa. Mutta kun mikropiirin ja kuidun yhdistää aaltoputken pintaan tehdyt hilaliitännät niin suurin osa sen läpi kulkevasta valosta jatkuu kuituun, osa valosta heijastuu vastakkaiseen suuntaan, mikä aiheuttaa suurimman osan dataliikenteen energiankulutuksesta.

Aiemmissa tutkimuksissa on todettu aina vaan vähintään 25 prosentin hävikkiä jokaisessa optisten kuitujen ja mikrosirujen rajapinnassa. Datakeskuksissa tällaisia rajapintoja riittää joten tämä häviö moninkertaistuu nopeasti valon kulkiessa mutkikkaan verkon läpi.

"Havaitsimme 25 prosentin hävikkialarajan olevan hyvin outo", Zhen toteaa tästä jatkuvasti raportoiduista hävikkien tasosta.

Tutkittuaan järjestelmää yksityiskohtaisemmin, tutkijat havaitsivat, että vasen-oikea-symmetrian rikkominen koerakenteessa vähensi kyseisen häviön nollaan. ”Päätelmä oli vähän odottamaton. Koska haluamme rajapinnan hilaliitännän säteilevän kohti yläosaa eikä alaosaa, näyttää luonnolliselta rikkoa ylös-alas -symmetria. Kävi kuitenkin ilmi, että meidän on myös tehtävä siitä vasen-oikea epäsymmetrinen, jotta tukahdutetaan täysin myös pohjasuuntainen säteily,” kertoo Jicheng Jin.

Tämän ilmiön ymmärtämiseksi paremmin tutkijat kehittivät topologisiin varauksiin perustuvan teorian, joka kieltää säteilyn tiettyyn suuntaan. Rajapinnalle, jolla on sekä ylös-alas että vasen-oikea -symmetrioita, on kullakin sivulla yksi varaus, joka kieltää säteilyn pystysuunnassa.

Ryhmä päätyi lopulta malliin, jossa sarja vinoja palkkeja rikkovat vasen-oikea ja ylös-alas -symmetriat samanaikaisesti. Näiden rakenteiden valmistamiseksi tutkijat kehittivät uuden etsausmenetelmän, joka mahdollistaa syövytyksen tapahtuvan vinoon kulmaan, kun taas tavalliset etsaukset voivat luoda vain pystysuoria sivuseiniä.

Laitteen valmistuksen jälkeen tutkijat pystyivät vahvistamaan vähäisen energiahäviön, jonka heidän teoriansa ennusti.

"Kokeellisesti havaitsimme, että säteily pohjaa kohti on 500 kertaa heikompi kuin rakenteen yläosaan suuntautuva säteily, minimoimalla näin energian menetykset", Jin sanoo. ”Lisäksi suunnittelumme on erittäin vankka valmistusvirheiden suhteen. Yksi rajoittava tekijä nykyisessä suunnittelumme on kaistanleveys. Tällä hetkellä voimme kattaa noin 26 nm, mikä ei ole optimaalista ja seuraava askel on parantaa tätä edelleen 200 nm:iin. ”

Tutkijoiden mukaan nykyinen järjestelmä on käytännöllinen, koska sen valmistus ja suunnittelu on yksinkertaisia.

Aiheesta aiemmin:

Topologista valon kulkua

Topologiaa valoaalloille

Topologinen eriste fotonien reitittäjäksi