Schema del nuovo dispositivo a guida d'onda ottica che mostra i reticoli di ingresso e di uscita e le connessioni in guida d'onda in silicio. Credito:Natasha Litchinitser, Duke University
Gli ingegneri della Duke University hanno dimostrato un dispositivo in grado di dirigere i fotoni di luce attorno agli angoli acuti praticamente senza perdite dovute alla retrodiffusione, una proprietà chiave che sarà necessaria se l'elettronica sarà mai sostituita con dispositivi basati sulla luce.
Il risultato è stato ottenuto con cristalli fotonici costruiti sul concetto di isolanti topologici, che ha vinto il Premio Nobel ai suoi scopritori nel 2016. Controllando attentamente la geometria di un reticolo cristallino, i ricercatori possono impedire alla luce di attraversare il suo interno trasmettendola perfettamente lungo la sua superficie.
Attraverso questi concetti, il dispositivo raggiunge la sua trasmittanza quasi perfetta dietro gli angoli nonostante sia molto più piccolo rispetto ai progetti precedenti.
La Semiconductor Industry Association stima che il numero di dispositivi elettronici stia aumentando così rapidamente che entro il 2040, non ci sarà abbastanza potere nel mondo intero per gestirli tutti. Una potenziale soluzione è ricorrere ai fotoni senza massa per sostituire gli elettroni attualmente utilizzati per la trasmissione dei dati. Oltre a risparmiare energia, i sistemi fotonici promettono anche di essere più veloci e di avere una maggiore larghezza di banda.
I fotoni sono già in uso in alcune applicazioni come la comunicazione fotonica su chip. Uno svantaggio della tecnologia attuale, però, è che tali sistemi non possono trasformare o piegare la luce in modo efficiente. Ma affinché i fotoni sostituiscano sempre gli elettroni nei microchip, viaggiare dietro gli angoli in spazi microscopici è una necessità.
Uno sguardo più da vicino al nuovo dispositivo a guida d'onda ottica con una vista ingrandita dell'isolatore topologico a cristalli fotonici fabbricato. Credito:Natasha Litchinitser, Duke University
"Più piccolo è il dispositivo meglio è, ma ovviamente stiamo anche cercando di ridurre al minimo le perdite, " disse Wiktor Walasik, un associato post-dottorato in ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "Ci sono molte persone che lavorano per rendere possibile un sistema di elaborazione completamente ottico. Non siamo ancora arrivati, ma penso che questa sia la direzione in cui stiamo andando".
Le precedenti dimostrazioni hanno anche mostrato piccole perdite mentre guidavano i fotoni dietro gli angoli, ma la nuova ricerca Duke lo fa su un dispositivo rettangolare lungo solo 35 micrometri e largo 5,5 micrometri, 100 volte più piccolo dei dispositivi basati su risonatore ad anello precedentemente dimostrati.
Nel nuovo studio, apparso online il 12 novembre sulla rivista Nanotecnologia della natura , i ricercatori hanno fabbricato isolanti topologici utilizzando la litografia a fascio di elettroni e misurato la trasmissione della luce attraverso una serie di curve strette. I risultati hanno mostrato che ogni turno ha comportato solo la perdita di una piccola percentuale.
"Prima era possibile guidare la luce intorno agli angoli acuti nei cristalli fotonici convenzionali, ma solo attraverso un lungo e laborioso processo adattato a un insieme specifico di parametri, "ha detto Natasha Litchinitser, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "E se hai fatto anche il più piccolo errore nella sua fabbricazione, ha perso molte delle proprietà che stavi cercando di ottimizzare."
La parte centrale della nuova guida d'onda isolante topologico a cristalli fotonici, con il percorso del percorso di un fotone evidenziato in verde. L'esperimento ha mostrato che ogni turno ha portato a perdite di backscattering solo di una piccola percentuale. Credito:Natasha Litchinitser, Duke University
"Ma il nostro dispositivo funzionerà indipendentemente dalle sue dimensioni o dalla geometria del percorso dei fotoni e il trasporto dei fotoni è "topologicamente protetto, '" ha aggiunto Mikhail Shalaev, uno studente di dottorato nel laboratorio di Litchinitser e primo autore dell'articolo. "Ciò significa che anche se ci sono piccoli difetti nella struttura cristallina fotonica, la guida d'onda funziona ancora molto bene. Non è così sensibile agli errori di fabbricazione."
I ricercatori sottolineano che il loro dispositivo ha anche una grande larghezza di banda operativa, è compatibile con le moderne tecnologie di fabbricazione dei semiconduttori, e funziona alle lunghezze d'onda attualmente utilizzate nelle telecomunicazioni.
I ricercatori stanno quindi tentando di rendere la loro guida d'onda sintonizzabile dinamicamente per spostare la larghezza di banda del suo funzionamento. Ciò consentirebbe di attivare e disattivare la guida d'onda a piacimento, un'altra caratteristica importante affinché le tecnologie completamente ottiche basate sui fotoni diventino realtà.
