Las fibras ópticas son nuestro sistema nervioso global y transportan terabytes de datos a través del planeta en un abrir y cerrar de ojos.
A medida que esa información viaja a la velocidad de la luz en todo el mundo, la energía de las ondas de luz que rebotan dentro del sílice y las fibras de polímero crean pequeñas vibraciones que conducen a paquetes de retroalimentación de sonido u ondas acústicas, conocidas como 'fonones'.
Esta retroalimentación hace que la luz se disperse, un fenómeno conocido como 'dispersión de Brillouin'.
Para la mayoría de la industria de la electrónica y las comunicaciones, esta dispersión de luz es una molestia, ya que reduce el poder de la señal. Pero para un grupo emergente de científicos, este proceso de retroalimentación se está adaptando para desarrollar una nueva generación de circuitos integrados que prometenrevolucionar nuestras redes 5G y de banda ancha, sensores, comunicación satelital, sistemas de radar, sistemas de defensa e incluso radioastronomía.
"No es exagerado decir que hay un renacimiento de la investigación en este proceso en curso", dijo el profesor Ben Eggleton, director del Instituto Nano de la Universidad de Sydney y coautor de un artículo de revisión publicado hoy en Fotónica de la naturaleza .
"La aplicación de esta interacción entre la luz y el sonido en un chip ofrece la oportunidad de una revolución de la tercera ola en los circuitos integrados"
Los descubrimientos de microelectrónica después de la Segunda Guerra Mundial representaron la primera ola en circuitos integrados, lo que condujo a la ubicuidad de dispositivos electrónicos que dependen de chips de silicio, como el teléfono móvil. La segunda ola llegó a principios de este siglo con el desarrollode sistemas electrónicos ópticos que se han convertido en la columna vertebral de los grandes centros de datos de todo el mundo.
Primero electricidad, luego luz. Y ahora la tercera ola es con ondas sonoras.
El profesor Eggleton es un investigador líder a nivel mundial que investiga cómo aplicar esta interacción fotón-fonón para resolver problemas del mundo real. Su equipo de investigación con sede en el Centro de Nanociencia de Sydney y la Facultad de Física ha producido más de 70 artículos sobre el tema.
Trabajando con otros líderes mundiales en el campo, hoy ha publicado un artículo de revisión en Fotónica de la naturaleza describiendo la historia y el potencial de lo que los científicos llaman "fotónica integrada de Brillouin". Sus coautores son el profesor Christopher Poulton en la Universidad Tecnológica de Sydney; el profesor Peter Rakich de la Universidad de Yale; el profesor Michael Steel en la Universidad de Macquarie; y el profesorGaurav Bahl de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
El profesor Bahl dijo: "Este documento describe la rica física que emerge de una interacción tan fundamental como la que existe entre la luz y el sonido, que se encuentra en todos los estados de la materia".
"No solo vemos inmensas aplicaciones tecnológicas, sino también la riqueza de las investigaciones científicas puras que son posibles. La dispersión de luz de Brillouin nos ayuda a medir las propiedades de los materiales, transformar la forma en que la luz y el sonido se mueven a través de los materiales, enfriar objetos pequeños, medirespacio, tiempo e inercia, e incluso transportar información óptica ".
El profesor Poulton dijo: "El gran avance aquí está en el control simultáneo de las ondas de luz y sonido en escalas realmente pequeñas".
"Este tipo de control es increíblemente difícil, sobre todo porque los dos tipos de ondas tienen velocidades extremadamente diferentes. Los enormes avances en fabricación y teoría descritos en este documento demuestran que este problema puede resolverse y que las poderosas interacciones entre la luz yEl sonido como la dispersión de Brillouin ahora se puede aprovechar en un solo chip. Esto abre la puerta a una gran cantidad de aplicaciones que conectan la óptica y la electrónica ".
El profesor Steel dijo: "Uno de los aspectos fascinantes de la tecnología Brillouin integrada es que abarca el rango de los descubrimientos fundamentales en las interacciones sonido-luz a nivel cuántico a dispositivos muy prácticos, como los filtros flexibles en las comunicaciones móviles".
La dispersión de la luz causada por su interacción con los fonones acústicos fue predicha por el físico francés Leon Brillouin en 1922.
INFORMACIÓN DE FONDO
En las décadas de 1960 y 1970 se descubrió un proceso interesante en el que se podía crear un circuito de retroalimentación mejorado entre los fotones luz y los fonones sonido. Esto se conoce como dispersión estimulada de Brillouin SBS.
En este proceso SBS, las ondas de luz y sonido están 'acopladas', un proceso mejorado por el hecho de que la longitud de onda de la luz y el sonido son similares, aunque sus velocidades están separadas por varios órdenes de magnitud: la luz viaja 100,000 veces más rápido que el sonido,lo que explica por qué ves un rayo antes de escuchar un trueno.
¿Pero por qué querrías aumentar el poder de este efecto de retroalimentación Brillouin?
"Administrar la información en un microchip puede consumir mucha energía y producir mucho calor", dijo el profesor Eggleton.
"A medida que ha aumentado nuestra dependencia de los datos ópticos, el proceso de interacción de la luz con los sistemas microelectrónicos se ha vuelto problemático. El proceso SBS nos ofrece una forma completamente nueva de integrar información óptica en un entorno de chip utilizando ondas de sonido como amortiguador para reducir la velocidadbajar los datos sin el calor que producen los sistemas electrónicos.
"Además, los circuitos integrados que utilizan SBS ofrecen la oportunidad de reemplazar componentes en sistemas de vuelo y navegación que pueden ser 100 o 1000 veces más pesados. Eso no será un logro trivial".
REDUCCIÓN DE LA COMPLEJIDAD
Cómo contener el proceso de interacción luz-sonido ha sido el punto de conflicto, pero como señalan el profesor Eggleton y sus colegas Fotónica de la naturaleza hoy, la última década ha visto enormes avances.
En 2017, los investigadores Dr Birgit Stiller y Moritz Merklein del Grupo Eggleton de la Universidad de Sydney anunciaron la primera transferencia mundial de luz a información acústica en un chip. Para enfatizar la diferencia entre las velocidades de luz y sonido, esto fuedescrito como 'almacenar un rayo dentro del trueno'.
El Dr. Amol Choudhary desarrolló aún más este trabajo en 2018, desarrollando una técnica de recuperación de información basada en chips que eliminó la necesidad de sistemas de procesamiento voluminosos.
"Se trata de reducir la complejidad de estos sistemas para que podamos desarrollar un marco conceptual general para un sistema integrado completo", dijo el profesor Eggleton.
Existe un creciente interés de la industria y el gobierno en el despliegue de estos sistemas.
Sydney Nano ha firmado recientemente una asociación con la Real Fuerza Aérea Australiana para trabajar con su programa Plan Jericho para revolucionar la capacidad de detección de RAAF. Empresas como Lockheed Martin y Harris Corporation también están trabajando con el Grupo Eggleton.
LOS DESAFÍOS ADELANTE
Hay barreras que superar antes de que este sistema integrado a escala de chip se pueda implementar comercialmente, pero la recompensa en términos de tamaño, peso y potencia SWAP valdrá la pena, dijo el profesor Eggleton.
El primer desafío es desarrollar una arquitectura que integre procesadores de microondas y radiofrecuencia con interacciones óptico-acústicas. Como muestran los resultados del Grupo Eggleton, ha habido grandes avances para lograr esto.
Otro desafío viene con la reducción del 'ruido' o interferencia en el sistema causado por la dispersión de luz no deseada que deteriora la relación señal / ruido. Una propuesta es tener chips que funcionen a temperaturas criogénicas cercanas al cero absoluto.implicaciones prácticas significativas, también podría poner en juego procesos cuánticos, entregando un mayor control de la interacción fotón-fonón.
También hay una investigación en vivo sobre los materiales más apropiados sobre los cuales construir estos sistemas integrados. El silicio tiene sus atracciones obvias dado que la mayoría de los microelectrónicos se construyen utilizando este material barato y abundante.
Sin embargo, la sílice utilizada en las fibras ópticas cuando se combina con el sustrato de silicio significa que la información puede filtrarse dada la similitud de los materiales.
Encontrar materiales que sean lo suficientemente elásticos e inelásticos para contener las ondas de luz y sonido mientras les permite interactuar es una vía sugerida. Algunos grupos de investigación usan calcogenuro, un sustrato de vidrio blando con un alto índice de refracción y baja rigidez que puede limitar la ópticay ondas elásticas.
El coautor de la revisión, profesor Steel de la Universidad de Macquarie, dijo: "En esta etapa, todos los sistemas materiales tienen sus puntos fuertes y débiles, y esto sigue siendo un área de investigación fructífera".
El profesor Eggleton dijo: "Este nuevo paradigma en el procesamiento de señales utilizando ondas de luz y ondas de sonido abre nuevas oportunidades para la investigación fundamental y los avances tecnológicos".
Declaración: el profesor Eggleton agradece el apoyo de la beca de vinculación del Consejo de Investigación de Australia LP170100112 con Harris Corporation y la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos. El profesor Stell con el profesor Eggleton y el profesor Poulton agradecen el apoyo del Proyecto de Descubrimiento ARC DP160101691. El profesor Bahl agradece el apoyode la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Sydney . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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