Uudenlainen äärimmäisen kylmä ja erittäin tehokas valokuitu

Tutkijat ovat kehittäneet uudentyyppisen optisen kuidun jäädyttämällä nesteellä täytetyn lasikapillaarin. Se ohjaa valo- ja ääniaaltoja samanaikaisesti ja mahdollistaa niiden välisen erittäin tehokkaan kytkennän.

Korkea kytkentävoimakkuus alentaa fotonisten neuromorfisten laskentajärjestelmien ja kvanttisignaalien käsittelysovellusten energiankulutusta useilla kertaluokilla.

Materiaaleissa faasimuutokset tuovat aina mukanaan muutoksia materiaalin fysikaalisissa ominaisuuksissa, esimerkiksi tiheydessä tai taitekertoimessa, jotka säätelevät äänen ja valon liikkumista sen läpi.

Esimerkiksi optiset kuidut ohjaavat valoa ytimiensä läpi, mikä mahdollistaa datansiirron valon avulla pitkiä matkoja erittäin nopeasti, minkä vuoksi niitä käytetään laajalti tietoliikennesovelluksissa.

Erikoistuneempiin sovelluksiin, kuten kuitulasereihin, kuituendoskooppeihin tai kuituantureihin, on kehitetty muuntyyppisiä optisia kuituja. Onttoja ydinkuituja voidaan esimerkiksi täyttää erilaisilla kaasuilla tai nesteillä ja mitata lämpötilajakaumia tai ne voivat toimia mikroskooppisten kemian laboratorioiden tavoin.

Erlangenissa sijaitsevan Max Planck -valotieteen instituutin (MPL), Hannoverin Leibniz-yliopiston (LUH) ja Jenassa sijaitsevan Leibniz-fotonitekniikan instituutin (IPHT) tutkijat ovat yhteistyössä kehittäneet uudentyyppisen optisen kuidun jäädyttämällä nestemäisiä ytimiä (LiCOF) typessä -196 °C:ssa, mikä johtaa kuidun ytimen faasimuutokseen nesteestä kiinteäksi.

”Keskeistä on, että LiCOF:n jäätynyt osa säilyttää kykynsä ohjata valoa. Sen lisäksi sekä kuidun nestemäinen että jäätynyt osa ohjaavat myös hyperääniaaltoja”, sanoo Simon Seiderer, yksi artikkelin kolmesta kirjoittajasta.

Tutkijat hyödyntävät uudessa kuidussaan erittäin tehokasta valon ja äänen välistä kytkentää, joka tunnetaan nimellä Brillouin-Mandelstamin sirontana. Vaikutus tunnetaan jo hyvin perinteisissä optisissa kuiduissa, mutta jäätyneen LiCOF:n faasimuutoksen myötä tutkijat luovat äärimmäisen, erittäin suljetun ja tiheän ympäristön. Tässä optoakustinen kytkentä on yli 1000 kertaa voimakkaampi kuin tavallisissa optisissa kuiduissa. Valjastamalla tämän tehokkaan kytkennän tutkijat osoittivat optoakustisen muistin.

Tämä kuiduissa tapahtuvan fotonisen neuromorfisen laskennan perustavanlaatuinen rakennuspalikka toimii hyödyntämällä valon ja ääniaaltojen välisiä dramaattisia nopeuksien eroja. Informaatio siirtyy nopeasta valoaallosta paljon hitaampiin ääniaaltoihin ja muunnetaan myöhemmin takaisin valoksi.

”Vaikka erittäin tehokkaan optoakustisen muistin demonstrointi on loistava ensimmäinen askel, tämän tasoinen valo-äänikytkentä avaa paitsi jännittäviä uusia mahdollisuuksia neuromorfiselle laskennalle, myös kvantti-informaation käsittelylle, mikroaaltofotoniikalle ja erittäin tarkalle anturitekniikalle.” Stiller toteaa.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttilaskennan aikakauteen sopivat optiset kuidut

Akustiikka vauhdittamaan fotonista laskentaa