I ricercatori della Michigan Tech hanno mappato una risposta magneto-ottica di riduzione del rumore che si verifica nelle comunicazioni in fibra ottica, aprendo le porte alle nuove tecnologie dei materiali.

I segnali ottici prodotti da sorgenti laser sono ampiamente utilizzati nelle comunicazioni in fibra ottica, che funzionano pulsando informazioni impacchettate come luce attraverso cavi, anche a grandi distanze, da un trasmettitore a un ricevitore. Attraverso questa tecnologia è possibile trasmettere conversazioni telefoniche, messaggi Internet, e le immagini della televisione via cavo. Il grande vantaggio di questa tecnologia rispetto alla trasmissione del segnale elettrico è la sua larghezza di banda, vale a dire, la quantità di informazioni che possono essere trasmesse.

Una nuova ricerca da una collaborazione tra la Michigan Technological University e l'Argonne National Laboratory migliora ulteriormente l'elaborazione del segnale ottico, che potrebbe portare alla fabbricazione di dispositivi in ​​fibra ottica ancora più piccoli.

L'articolo, svelando un meccanismo inaspettato nella non reciprocità ottica, sviluppato dal gruppo di ricerca di Miguel Levy, professore di fisica alla Michigan Tech—è stato pubblicato sulla rivista ottica . "Boosting Optical Nonreciprocity:Surface Reconstruction in Iron Garnets" spiega le origini quantistiche e cristallografiche di un nuovo effetto di superficie nell'ottica non reciproca che migliora l'elaborazione dei segnali ottici.

Segnali ottici silenziosi

Un componente ottico chiamato isolatore magneto-ottico appare ubiquitariamente in questi circuiti ottici. La sua funzione è quella di proteggere la sorgente laser, il luogo in cui la luce viene generata prima della trasmissione, dalla luce indesiderata che potrebbe essere riflessa a valle. Qualsiasi luce di questo tipo che entra nella cavità laser mette in pericolo il segnale trasmesso perché crea l'equivalente ottico del rumore.

"Gli isolatori ottici funzionano secondo un principio molto semplice:la luce che va in avanti viene lasciata passare; la luce che va all'indietro viene fermata, "Levy ha detto. "Questo sembra violare un principio fisico chiamato simmetria di inversione del tempo. Le leggi della fisica dicono che se inverti la direzione del tempo, se viaggi indietro nel tempo, finisci esattamente dove sei partito. Perciò, la luce che torna indietro dovrebbe finire all'interno del laser. Ma non è così. Gli isolatori raggiungono questa impresa essendo magnetizzati. I poli magnetici nord e sud nel dispositivo non si scambiano di posto per il ritorno della luce. Quindi le direzioni avanti e indietro in realtà sembrano diverse dalla luce che viaggia. Questo fenomeno è chiamato non reciprocità ottica, " Egli ha detto.

Per il microscopio elettronico a trasmissione a scansione FEI 200kV Titan Themis (STEM) di Michigan Tech (uno dei due soli Titani nello stato del Michigan), tutto il mondo è un palcoscenico.

Gli isolatori ottici devono essere miniaturizzati per l'integrazione su chip nei circuiti ottici, un processo simile all'integrazione dei transistor nei chip dei computer. Ma tale integrazione richiede lo sviluppo di tecnologie dei materiali in grado di produrre isolatori ottici più efficienti di quelli attualmente disponibili.

Il lavoro recente del gruppo di ricerca di Levy ha dimostrato un miglioramento dell'ordine di grandezza dell'effetto fisico responsabile del funzionamento dell'isolatore. Questa constatazione, osservabile in film di granato di ferro su scala nanometrica, apre la possibilità di dispositivi molto più piccoli. Lo sviluppo della tecnologia dei nuovi materiali di questo effetto dipende dalla comprensione della sua base quantistica.

I risultati del gruppo di ricerca forniscono proprio questo tipo di comprensione. Questo lavoro è stato svolto in collaborazione con lo studente laureato in fisica Sushree Dash, L'ingegnere Pinaki Mukherjee del laboratorio di analisi chimica e morfologica applicata e gli scienziati del laboratorio nazionale Argonne Daniel Haskel e Richard Rosenberg.

L'articolo di Optica spiega il ruolo della superficie nelle transizioni elettroniche responsabili dell'aumentata risposta magneto-ottica osservata. Questi sono stati osservati con l'aiuto di Advanced Photon Source di Argonne. La mappatura della ricostruzione superficiale alla base di questi effetti è stata resa possibile attraverso il microscopio elettronico a trasmissione a scansione all'avanguardia acquisito da Michigan Tech due anni fa. La nuova comprensione della risposta magneto-ottica fornisce un potente strumento per l'ulteriore sviluppo di tecnologie dei materiali migliorate per far progredire l'integrazione di dispositivi non reciproci nei circuiti ottici.