La luce respinge la luce

Dimostrando un fenomeno ottico fondamentalmente nuovo, i ricercatori della Yale University hanno mostrato la seconda metà di una forza ottica che potrebbe rendere i dispositivi fotonici al silicio, come quelli utilizzati nelle comunicazioni ad alta velocità, nelle schede di rete e persino nei cavi video e TV, più veloci e più capaci .

Autostrada ottica: I ricercatori di Yale hanno generato forze ottiche repulsive dividendo un singolo raggio di luce in modo che ciascuna metà viaggiasse attraverso una lunghezza diversa della guida d'onda. Poiché una metà del raggio si è spostata più lontano dell'altra, sono arrivati ​​sfasati nella regione centrale, facendo sì che le due guide d'onda si respingano a vicenda. Quando i raggi di luce erano in fase, si attraevano l'un l'altro. Le due forme triangolari in basso sono le porte di ingresso e uscita ottiche.

Risultati come questi che mostrano nuovi modi per controllare la luce non si verificano molto spesso, afferma Oskar pittore , un ricercatore di microfotonica al Caltech che non era coinvolto nel lavoro. C'è una spinta a fare di più con i componenti ottici, aggiunge Painter, e i risultati del gruppo Yale sono totalmente nuovi.

Gli scienziati hanno teorizzato nel 2005 che minuscoli fasci di luce confinati su un chip di silicio potrebbero attrarsi o respingersi l'un l'altro se posti nelle immediate vicinanze, in modo simile alle forze elettromagnetiche tra cariche positive e negative. L'anno scorso un gruppo guidato dal professore della Yale University Hong Tang ha dimostrato per la prima volta il lato attraente di questa forza ottica. Ora il gruppo ha dimostrato il secondo lato della forza, la repulsione, che rende i suoi effetti reversibili.

In precedenza, afferma Mo Li, l'autore principale dell'articolo pubblicato su Fotonica della natura , potevano tirare con la forza, ma non potevano spingere. Ora i ricercatori possono fare entrambe le cose. Il risultato apre la possibilità di utilizzare la luce per manipolare la luce in dispositivi microfotonici, piuttosto che utilizzare elementi meccanici come microriscaldatori o cristalli ottici assetati di energia.

Sebbene la forza sia troppo debole per essere utilizzata su scale più grandi (due puntatori laser non potrebbero attrarsi o respingersi, ad esempio), la forza ottica opera fortemente sulla microscala, rendendola ideale per il controllo ad altissima velocità e completamente ottico di nanomeccanici. dispositivi, secondo il professore di matematica applicata del MIT Steven Johnson . In particolare, Johnson sottolinea l'importanza di poter alternare tra forze ottiche attrattive e repulsive, cosa che non è stata dimostrata sperimentalmente prima.

Lo sfruttamento della forza ottica dovrebbe consentire un trasferimento dati più rapido in applicazioni come le telecomunicazioni in fibra ottica, in cui le informazioni possono essere codificate su più lunghezze d'onda della luce e velocizzate attraverso un singolo cavo in fibra ottica in un processo chiamato multiplexing a divisione di lunghezza d'onda. Questo processo attualmente richiede la conversione dei segnali ottici in segnali elettrici per la modulazione o l'amplificazione, quindi convertirli nuovamente in segnali ottici e inviarli sulla loro strada. L'uso della luce per manipolare il segnale ottico potrebbe eliminare la necessità di punti di sosta elettrici lungo l'autostrada in fibra ottica. Se puoi trasferire direttamente la luce alla luce, dice Li, sarà più economico e più veloce.

Un altro problema con l'attuale multiplexing ottico è che i dispositivi che fanno funzionare il processo sono relativamente grandi, occupando il primo spazio su wafer di silicio, e devono essere progettati con microriscaldatori posizionati strategicamente, che utilizzano i cambiamenti di temperatura per sintonizzare ogni lunghezza d'onda della luce giusto. Tali dispositivi sono lenti e possono causare diafonia. Altre tecniche di manipolazione della luce utilizzano materiali cristallini speciali che rispondono alla luce ad alta intensità per modificare le proprietà del materiale dei dispositivi fotonici.

Animazione sospesa: I ricercatori hanno sospeso due guide d'onda (i cavi blu orizzontali) per consentire loro di muoversi liberamente sotto l'influenza di forze ottiche attrattive e repulsive. Le strutture verticali blu sono supporti per guide d'onda a cristalli fotonici.

L'approccio del gruppo Yale dimostra la possibilità di manipolare un raggio di luce con un altro, proprio sul chip, senza la necessità di riscaldatori lenti e ingombranti o di cristalli esterni. E grazie alla loro capacità di sfruttare sia le forze positive che quelle negative, ora possono raddoppiare efficacemente la gamma di controllo sui circuiti fotonici.

Il gruppo ha utilizzato due guide d'onda identiche - gli equivalenti ottici dei cavi elettronici, che racchiudono i fasci di luce che si muovono attraverso di essi - e le ha sospese in una regione di accoppiamento centrale per consentire loro di muoversi liberamente sotto l'influenza della forza ottica. Quindi i ricercatori hanno inviato un raggio di luce laser, lo hanno diviso a metà e ne hanno costretto una metà attraverso un percorso più lungo dell'altro. Quando le due metà della luce si sono ricombinate, erano fuori fase perché avevano percorso percorsi di lunghezza diversa. I ricercatori hanno scoperto che quando i raggi di luce erano fuori fase, le loro guide d'onda si respingevano a vicenda, ma quando la luce era in fase, le guide d'onda si avvicinavano. Poiché potevano cambiare la differenza di fase tra i raggi semplicemente modificando la lunghezza d'onda della luce laser in ingresso, i ricercatori hanno ottenuto una nuova manopola per controllare la forza ottica in un passaggio molto semplice.

Sebbene non stessero trasferendo informazioni e nemmeno accendendo e spegnendo gli interruttori, il gruppo ha dimostrato con successo l'esistenza di - e il facile ribaltamento tra - entrambi i lati della forza. I loro prossimi passi, dice Tang, saranno costruire circuiti più complessi e migliorare l'efficienza della loro tecnica. Cercheranno anche di rafforzare la forza. Più grande è la forza, meglio è, dice Tang.

Il vantaggio del lavoro di Yale, secondo il pittore di Caltech, è che i ricercatori hanno dimostrato le forze utilizzate per la commutazione, ma lo hanno anche fatto in un sistema di silicio. Ciò mostra una promessa per la futura integrazione con strutture microelettroniche già elaborate su chip di silicio. Con la flessibilità di controllare le forze direttamente sul chip, le funzionalità chiave verrebbero aggiunte al kit di strumenti per la microfotonica al silicio. L'obiettivo finale sarebbe interruttori e dispositivi completamente ottici, come un bus ottico che trasferisce le informazioni attraverso una CPU senza alcuna parte elettronica.

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