Per la prima volta, i ricercatori hanno utilizzato minuscoli ingranaggi fatti di germanio per generare un vortice di luce attorcigliata che ruota attorno al proprio asse di marcia proprio come un cavatappi. Poiché il germanio è compatibile con il silicio utilizzato per realizzare i chip dei computer, la nuova fonte di luce potrebbe essere utilizzata per aumentare la quantità di dati che possono essere trasmessi con il calcolo e la comunicazione ottici basati su chip.

I ricercatori, dell'Università di Southampton nel Regno Unito, e Università di Tokyo, Toyohashi University of Technology e Hitachi Ltd., tutto in Giappone, descrivere i nuovi ingranaggi emettitori di luce nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express . Con un raggio di un micron o meno, 250, 000 degli ingranaggi potrebbero essere impacchettati in un solo millimetro quadrato di un chip per computer.

C'è un grande interesse nel generare luce che è attorcigliata, o ha momento angolare orbitale, a causa dei suoi vantaggi per le comunicazioni e l'informatica. Oggi, la luce viene utilizzata per trasportare informazioni variando il numero di fotoni emessi o commutando tra i due stati di polarizzazione della luce. Con luce contorta, ogni twist può rappresentare un valore o una lettera diversa, consentendo la codifica di molte più informazioni utilizzando meno luce.

"I nostri nuovi microingranaggi hanno il potenziale per un laser che può essere integrato su un substrato di silicio, l'ultimo componente necessario per creare un circuito ottico integrato su un computer, " ha detto il primo autore del giornale Abdelrahman Al-Attili, dell'Università di Southampton. "Questi minuscoli circuiti a base ottica utilizzano la luce contorta per trasmettere grandi quantità di dati".

Utilizzo della tensione per migliorare l'emissione di luce

È stato impossibile realizzare una sorgente luminosa miniaturizzata utilizzabile su silicio, il materiale comunemente usato per realizzare chip per computer e componenti associati, perché le proprietà del materiale hanno portato a una scarsa efficienza di generazione della luce. Sebbene il germanio abbia limitazioni simili, applicando uno sforzo allungandolo si può migliorare la sua efficienza di emissione di luce.

"In precedenza, lo sforzo che potrebbe essere applicato al germanio non era abbastanza grande da creare luce in modo efficiente senza degradare il materiale, " ha detto Al-Attili. "Il nostro nuovo design di microingranaggi aiuta a superare questa sfida."

Il nuovo design prevede microingranaggi indipendenti ai bordi in modo che possano essere allungati da un film di ossido depositato sulle strutture. Ciò consente di applicare la tensione di trazione senza rompere la struttura cristallina del germanio. Gli ingranaggi poggiano su un piedistallo in silicio che lo collega alla parte superiore del substrato di silicio e consente al calore di dissiparsi durante il funzionamento.

Per dimostrare il loro nuovo design, i ricercatori hanno utilizzato la litografia a fascio di elettroni per fabbricare le caratteristiche fisiche molto fini che formano i denti degli ingranaggi. Hanno quindi illuminato gli ingranaggi con un laser verde standard che non emetteva luce distorta. Dopo che il microingranaggio ha assorbito la luce verde, genera i propri fotoni che vengono fatti circolare attorno ai bordi formando una luce contorta che viene riflessa verticalmente dall'ingranaggio dai denti periodici.

Simulazioni ottiche di precisione

I ricercatori hanno testato e ottimizzato il loro design utilizzando simulazioni al computer che modellano il modo in cui la luce si propaga negli ingranaggi in nanosecondi o periodi di tempo anche più brevi. Confrontando l'emissione di luce del prototipo con i risultati della simulazione al computer, sono stati in grado di confermare che gli ingranaggi generavano luce distorta.

"Possiamo progettare con precisione il nostro dispositivo per controllare il numero di rotazioni per lunghezza d'onda di propagazione e la lunghezza d'onda della luce emessa, " disse Al-Attili.

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare ulteriormente l'efficienza dell'emissione di luce dai microingranaggi al germanio. In caso di successo, questa tecnologia permetterebbe di integrare migliaia di laser su un chip di silicio per la trasmissione di informazioni.

"Le tecnologie di fabbricazione del silicio sviluppate per realizzare dispositivi elettronici possono ora essere applicate per realizzare vari dispositivi ottici, " ha detto Al-Attili. "I nostri microingranaggi sono solo un esempio di come queste capacità possono essere utilizzate per realizzare dispositivi su nano e microscala".