Topologia avuksi fotoniikkaan

29.04.2020

Penn-optisten-putkien-topologinen-liimaus-275-t.jpgYhdistämällä 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

27.03.2024Kvantti-interferenssi ja transistori
26.03.2024Robotti tarttuu lihanpalaan ja keskustelee kaverinsa kanssa
25.03.2024Piin kanssa yhteensopivia magneettisia pyörteitä
23.03.2024Kaksitoiminen katalyytti tekee sen halvemmalla
22.03.2024Hiilinanoputket käyttöön
21.03.2024Fotonisirut valtaavat alaa
21.03.2024Uusi 2D-materiaalien maailma on avautumassa
19.03.2024Suprajohteet auttavat tietokoneita "muistamaan"
18.03.2024Kvanttimateriaalitutkimuksen uudet työkalut
16.03.2024Räjähtämätön vedyntuotantomenetelmä
15.03.2024Kvanttitietokoneita atomeihin perustuen
14.03.2024Elektronit vedessä ja särkyneinä
13.03.2024Sateenvarjo atomeille
12.03.2024Magnetismilla energiatehokasta laskentaa
11.03.2024Molekyylielekroniikan johteita ja kytkimiä
09.03.2024Elektroniikkaromusta kultaa edullisesti
09.03.2024Jännitystä aurinkoenergian keräämiseen
07.03.2024Kolmas ulottuvuus langattoman prosessoinnille
06.03.2024Mikroaaltoinen fotoniikkasiru nopeaan signaalinkäsittelyyn
05.03.2024Palonkestävä natriumakku
04.03.2024Polymeeripohjaiset viritettävät optiset komponentit
01.03.2024Tulevaisuuden kubitti luotiin kvanttiprosessoriin
29.02.2024Uudenlaisia ratkaisuja pienen koon tehokäyttöihin
28.02.2024Fotonien napakymppi ja tehokas ylösmuunnos
27.02.2024Elektroneja murto-osina grafeenissa
26.02.2024Elektronin ja fononin vuorovaikutuksen mysteeri
24.02.2024Entistä tehokkaampia aurinkokennoja
23.02.2024Uusi resepti kvanttisimuloinnille
22.02.2024Li-ion-johteita uuden suunnan kestäville akuille
21.02.2024Uusi laji magnetismia
20.02.2024Hyppivät atomit muistavat missä ne ovat olleet
19.02.2024Puolipallon muoto aurinkokennoon
17.02.2024Perovskiittiä vihreän vedyn tuotantoon
16.02.2024Fotoniikan nanovalmistusta printterillä
15.02.2024Neuromorfisia näkösensoreita
14.02.20242D-materiaaleista heterorakenteita
13.02.2024Magneettisten supervoimien vapauttaminen
12.02.2024Kvanttiedulla liikkuva maali
10.02.2024Antureita ympäristöhaittojen seurantaan
09.02.2024Kohti kvantti-internetiä ja kvanttiviestintää
08.02.2024Tehokkaita röntgensäteitä ja ultraviolettivaloa
07.02.2024Kubitti, jossa on sisäänrakennettu virheenkorjaus
06.02.2024Laskentaa valoaalloilla
05.02.20243D-tulostettu elektroninen iho ja näyttö
03.02.2024Läpimurto kvanttipisteisissä aurinkokennoissa
02.02.2024Äänikäyttöiset anturit säästävät miljoonia paristoja
01.02.2024Energiankeruuta ja kuvantamista samanaikaisesti
31.01.2024Pitkään kestäviä grafeenin laaksotiloja kubiteille
30.01.2024Pinoa neuroverkkojärjestelmiä rakennelohkoista
29.01.2024Vihreiden ledien tehokkuus paremmaksi
27.01.2024Ultranopea vetyvuodon anturi
26.01.2024Uusi ehdokas yleismuistiksi
25.01.2024Teollisesti valmistettava kvanttimuisti
24.01.2024Ensimmäinen topologinen kvanttipiiri
23.01.2024Grafeenista vihdoin toiminnallinen puolijohde
23.01.2024Lämpösähköä esineiden Internetille
20.01.2024Polttokenno toimii maaperässä ikuisesti
19.01.2024Tutkijat loivat loogisen kvanttiprosessorin
18.01.2024Kvanttilomittuminen ja topologia ovat erottamattomia
17.01.2024Tutkimus tasoittaa tietä paremmille metalliakuille
16.01.2024Ihmisen kuulojärjestelmä mallina yksijohtimiselle anturiryhmälle
15.01.2024Todennäköisyyspohjaisia tietokoneita ja tekoälyä
13.01.2024Valo välittää dataa sata kertaa nopeammin kuin Wi-Fi
12.01.2024More than Moore -konsepti
11.01.2024Korkeamman lämpötilan suprajohteiden kytkentää
10.01.2024Hiili tehostaa 2D-elektroniikkaa
09.01.2024Stokastista synkronia salaukseen ja neuroneille
08.01.2024Polymeeristä syntyy katalyyttikide
06.01.2024Kuupölystä aurinkokennoja
05.01.2024Kvanttipisteisiä aurinkosähkökennoja
04.01.2024Plasmoneita ja tekoälyä terahertsitutkimuksiin
03.01.2024Vetyä ja polymeeriä akkuihin
02.01.2024Aivomainen transistori jäljittelee ihmisen älykkyyttä
01.01.2024Yhdistetty "kilparata" mahdollistaa uuden optisen laitteen
29.12.2023Liukuvaa ferrosähköisyyttä ja timantteja
28.12.2023Magneto-optista materiaalia pii-integrointiin
27.12.2023Kvanttipisteanturi ei tarvitse ulkoista teholähdettä
22.12.2023Sähköistävä parannus kuparin johtavuuteen
21.12.2023Yksittäisestä 2D-materiaalista suprajohtava liitos
20.12.2023Nanoresonaattorit avaavat tietä kvanttiverkoille
19.12.2023Metapinta-antenni 6G:lle ja meta-atomeja
18.12.2023Atomintarkkaa 2D-materiaalien integrointia
16.12.2023Kvanttiakuissa rikotaan kausaliteetti
15.12.2023Hierarkkinen generatiivinen mallinnus autonomisille roboteille
14.12.2023Uusi näkemys moniarvoisten akkujen suunnitteluun
13.12.2023Optisella langattomalla ei ehkä enää ole esteitä
13.12.2023Fyysikot kvanttilomittavat yksittäisiä molekyylejä
12.12.2023Edullista tribosähköä ja aurinkokenno puumateriaalista
08.12.20232D-materiaaleista 3D-elektroniikkaa tekoälylaitteistoihin
07.12.2023Fotonikomponentteja RF-signaalin käsittelyyn
06.12.2023Elektromagnoniikasta uusi tiedonkäsittelyn alusta
05.12.2023Uusi alusta kvantti-informaation käsittelyyn
04.12.2023Lämpöä voidaan käyttää laskentaan
01.12.2023Askel biologian ja mikroelektroniikan integroinnille
30.11.2023Josephson-liitosten käyttö supravirran ohjaamiseen
29.11.2023Mikrotekniikkaa ja molekyylikemiaa aurinkokennoille
28.11.2023Materiaalien kehittelyä koneoppisella
27.11.2023Kaksiulotteisia magneetteja tietotekniikalle
25.11.2023Uusi jäähdytysmekanismi jääkaapeille ja jäähdytyslaitteille
24.11.2023Vangita elektroneja 3D-kiteeseen

Näytä lisää »