Yüksek düzeyde ayarlanabilir elektro-optik izolatör, fotonik çiplerde tek yönlü ışık akışı sağlar

Entegre fotonik cihazlar (elektronlar yerine ışık kullanan küçük devreler), ölçeklenebilir fotonik teknolojileri ve yüksek bant genişlikli iletişim için giderek daha önemli hale geliyor. Yapay zeka, bulut bilişim ve yüksek performanslı sinyal işleme için ihtiyaç duyulan veri merkezleri içindeki düşük güçlü, ışık tabanlı veri aktarımının yönetilmesi açısından özellikle değerlidirler.

Alanın önündeki en büyük zorluk, ışığı bir fotonik devre içinde yalnızca tek bir yönde yayılmaya zorlayan yaklaşımlar geliştirmektir; çünkü bu, üretim hatalarına karşı dayanıklılığı artırabilir, lazer kaynaklarını koruyabilir ve sistem içindeki optik sinyallere daha fazla stabilite kazandırabilir.

Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign Grainger Mühendislik Koleji’ndeki araştırmacılar, doğrusal bir optik izolatör olarak işlev gören, ışığın son derece düşük kayıpla yalnızca bir yönde geçmesine izin verirken, ters yönde yayılan ışığın neredeyse tamamını engelleyen bir fotonik entegre devre geliştirdiler. Sonuçlar şurada yayınlanır: Doğa İletişimi.

Tasarımları, elektro-optik modülasyon kullanarak fotonik devre içinde taklit ettikleri, Autler-Townes bölünmesi adı verilen atom fiziği olgusundan ilham alıyor.

Manyetik izolatörler neden yetersiz kalıyor?

Illinois Grainger Engineering’de makine bilimi ve mühendislik profesörü olan proje lideri Gaurav Bahl, “Şu anda en iyi ticari optik izolatörler manyeto-optik malzemeler kullanılarak üretiliyor” dedi.

“Bu yaklaşım, optik fiber ağlar gibi nispeten büyük ölçekli fotonik sistemler için uygundur, ancak entegre fotonik için kullanılamaz. Manyetik ve manyeto-optik malzemeler, dökümhane tesislerinde işlenmeye uygun değildir. Bu malzemeler aynı zamanda yüksek optik kayba sahip olma eğilimindedir ve bunların kullanışlı özellikleri güçlü bir dalga boyuna bağımlıdır.

“Ancak, veri merkezlerimizin ölçeğini büyütmeye devam ettikçe, kompakt, düşük güçlü optik sinyal yönlendirmeye olan ihtiyaç artıyor. Bu nedenle, manyetik malzemeler kullanmayan çip ölçekli entegre izolatör cihazları giderek daha önemli hale geliyor.”

Ses dalgalarından akorta kadar

Önceki çalışmalarda, Bahl’ın araştırma grubu, Autler-Townes’un ses dalgalarıyla bölünmesini taklit eden bir “akusto-optik” izolatör geliştirdi, bu da yönlülüğüne bağlı olarak ışık yayılımında simetrinin bozulmasına neden oldu. Bununla birlikte, akustik-optik cihazları teknik zorluklarla karşı karşıyadır: Üretimden sonra ince ayar yapmak çok zordur, her cihaz çalışmaz ve çalışma dalga boyu, fotonik devrenin geri kalanına uyum sağlayacak şekilde kolayca ayarlanamaz.

Yeni “elektro-optik” tasarım, lityum niyobat adı verilen, ses dalgaları içermeyen, elektriksel olarak ayarlanabilen bir malzeme kullanıyor ve önceki tasarımlardaki zorlukların üstesinden geliyor. Yaklaşım lazer dalga boyundan bağımsızdır ve birçok farklı uygulamaya uyacak şekilde uyarlanabilir. Bu çalışma için cihaz, birçok fiber optik iletişim sisteminde kullanılan standart bir dalga boyu aralığı olan telekom bandı için tasarlanmıştır.

Bu cihazdaki hiçbir şeyin mekanik olarak hareket etmesine gerek olmadığından, cihazın çevreden korunmasına yardımcı olmak için koruyucu bir kaplama katmanı da eklenebilir. Bu seçenek akustik optik tasarımda mevcut değildi.

Ticari cihazlara yakın performans

Bir optik izolatör için iyi bir değer, yayılma kontrastı ile ileri şeffaflık arasındaki orandır. Yeni çip üstü cihaz, son derece düşük ileri kayıpla ileri ve geri iletim arasında yaklaşık 2.000 (yaklaşık 33 desibel) değer sergiledi ve bu da onu ticari çip dışı manyetik izolatörlerle aynı seviyeye getirdi.

Buna ek olarak araştırmacılar, elektro-optik yalıtkanın birçok terahertz üzerinden ayarlanabildiğini, yani önceki akustik-optik versiyona göre binlerce kat daha fazla ayarlanabilirliğe sahip olduğunu gösterdi. Sonuç olarak izolasyon fonksiyonu, fotonik sistemin geri kalanı tarafından kullanılan dalga boyuna uyacak şekilde isteğe bağlı olarak ayarlanabilir.

Bahl, “Bu çalışmanın devamı olarak, son derece geniş bir dalga boyu aralığında güzel özellikler sergileyecek ve ayarlama ihtiyacını ortadan kaldıracak geniş bantlı bir ‘elektro-optik’ izolatör üzerinde çalışıyoruz.” dedi. “Bu izolatör gibi teknik yenilikler, yapay zeka ve bilgi işlemde ulusal düzeyde kritik teknolojilerin karşılaştığı büyük zorlukların çözümünde önemli bir rol oynayabilir.”