Skaalautuvaa äänen generointia ja hallintaa piifotonisiruissa

Twenten yliopiston tutkijat ratkaisivat pitkäaikaisen ongelman: optisesti tuotettujen ääniaaltojen vangitseminen tavalliseen piifotoniseen siruun. Tämä löytö avaa uusia mahdollisuuksia radioteknologialle, kvanttiviestinnälle ja optiselle laskennalle.

Valo kulkee erittäin nopeasti, kun taas ääniaallot liikkuvat paljon hitaammin. Manipuloimalla valon ja äänen välistä vuorovaikutusta – fyysistä ilmiötä, joka tunnetaan nimellä stimuloitu Brillouin-sironta (SBS) – tutkijat voivat löytää uusia tapoja tallentaa ja suodattaa informaatiota kompaktille sirulle.

Tämä on hyödyllistä sovelluksissa, kuten erittäin nopeassa radioviestinnässä ja kvanttitekniikassa. Mutta tämän tekeminen piifotonisilla siruilla, joka on yksi tärkeimmistä integroiduista fotoniikkatekniikoista nykyään, oli suuri haaste.

Piifotoniikka on nousemassa tärkeäksi ratkaisuksi jatkuvasti kasvavan datakeskusteollisuuden kohtaamiin kaistanleveyden ja energiankäytön pullonkauloihin. Ääniaaltojen lisääminen näihin siruihin voi avata vielä suuremman suorituskyvyn.

Kuitenkin tavanomaiset piifotoniset rakenteet, jotka tunnetaan aaltoputkina, kamppailevat pitääkseen ääniaallot rajoitettuina. Äänellä on taipumus karata piirakenteiden alla olevaan piioksidikerrokseen, mikä heikentää tehokkuutta. Aikaisemmat ratkaisut sisälsivät piirakenteiden ripustamisen, mutta tämä lähestymistapa oli vaikea valmistaa eikä ole mekaanisesti stabiili.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi David Marpaungin johtama tiimi otti uuden lähestymistavan: suurensi piirakenteiden kokoa. Tutkijat käyttivät aaltoputkia, jotka olivat 100 kertaa suurempia kuin perinteiset piinanolangat. Ne vangitsivat ääniaallot onnistuneesti säilyttäen samalla kompaktin sirurakenteen.

"Nämä VTT Finlandin valmistamat aaltoputket ovat juuri sitä, mitä tarvitsimme vangitaksemme äänen vihdoin piisiruihin. Niiden koolla on ratkaiseva merkitys, joten voimme hallita ääniaaltoja tavalla, joka ei yksinkertaisesti ollut mahdollista aiemmin", sanoi Kaixuan Ye, tämän työn johtava kirjoittaja.

Suuremman aaltoputken koosta huolimatta uudet piifotonisirut ovat edelleen kompakteja ja käytännöllisiä. Kokonaiset piirit, mukaan lukien metrin pituiset aaltoputket, mahtuvat 1 cm²:n sirulle. Tämä tekee tekniikasta skaalautuvan ja yhteensopivan olemassa olevan puolijohdeteollisuuden kanssa.

"Tämä saavutus vaati lähes kymmenen vuoden tutkimusta ja yhteistyötä", sanoi Marpaung. "Yhteistyöllä VTT Finlandin kanssa ja hiomalla tekniikoitamme onnistuimme vihdoin demonstroimaan tämän vaikutuksen tavallisella piialustalla."

Tämä löytö tuo uusia toimintoja piifotoniikkaan, jota käytetään jo laajalti optisessa laskennassa ja viestinnässä. Kyky ohjata ääniaaltoja ultrakorkeilla, lähes 40 GHz:n taajuuksilla tekee tästä tekniikasta lupaavan seuraavan sukupolven langattomassa viestinnässä ja kvanttisovelluksissa.

Aiheesta aiemmin:

Metamateriaalia analogiseen optiseen laskentaan

Fotonikomponentteja RF-signaalin käsittelyyn

MEMS, piifotoniikka ja nestekidepisarat