Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Naukowcy skonstruowali przełącznik fotonowy na pasmo 500 GHz

ghost666 13 Wrz 2014 15:35 3024 6
  • Naukowcy skonstruowali przełącznik fotonowy na pasmo 500 GHzPracę nad tym układem zajęły niemalże cztery lata, jednakże ten wynalazek otwiera zupełnie nowe kierunki w fotonice, co na pewno rzutować będzie na technologie optyczne w przyszłości i umożliwi lepszą kontrolę światła w światłowodach.

    Badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego zbudowali pierwszy na świecie przełącznik fotonów pracujący w pasmie 500 GHz. "Zaprojektowany przez nas przełącznik jest o rząd wielkości szybszy od dotychczasowego rekordzisty" mówi profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej Stojan Radic, "Prędkość pracy naszego układu przekracza prędkości wszystkich najszybszych kanałów przesyłu informacji, jakie dotychczasowo wykorzystujemy".

    Zgodnie z artykułem opublikowanym w prestiżowym miesięczniku Science (do znalezienia tutaj - Link), przełączanie fotonów z tak dużą prędkością stało się możliwe dzięki postępom w technice kontrolowania silnych wiązek optycznych z pomocą pojedynczych fotonów a także dzięki umiejętnościom kontroli struktury włókien światłowodowych na poziomie molekularnym. W opublikowanym artykule Radic, wraz z współpracownikami, analizują w jaki sposób ostatnie prace nad ultraszybką kontrolą wiązki i szybkim przełączaniem fotonów, mogą doprowadzić do powstania nowej klasy bardzo czułych odbiorników optycznych, mogących pracować z wysokimi częstotliwościami, szybszych detektorów fotonowych i w konsekwencji w pełni optycznych układów przetwarzających dane (czyli, w skrócie, procesorów optycznych, gdzie elektrony zastąpiono fotonami - przyp. tłum.).

    W celu skonstruowania opisywanego układu zespół z San Diego rozpoczął od opracowania nowej technologii pomiarowej, która umożliwia pomiar fluktuacji rdzenia światłowodu z precyzją poniżej jednego nanometra. Było to niezwykle istotne z uwagi na fakt iż wartość lokalnej dyspersji w światłowodzie waha się wraz, nawet niewielkimi, fluktuacjami rdzenia. Dotychczasowo kontrola i pomiar wartości tych wahań uważane były za dosyć 'efemeryczne', szczególnie w światłowodach o większej długości,

    W eksperymencie opisanym w artykule w Science, impuls w postaci trzech fotonów wykorzystywany był do manipulowania drugim impulsem - o mocy w zakresie pojedynczych watów - z prędkością przekraczającą 500 GHz. Układ eksperymentalny, składających się między innymi z dwóch laserów i nieliniowego światłowodu, przedstawiono na poniższym schemacie.

    Naukowcy skonstruowali przełącznik fotonowy na pasmo 500 GHz






    Podczas swoich badań, inżynierowie z Laboratorium Systemów Fotonicznych z Instytutu Qualcomma w San Diego, zademonstrowali, iż szybka kontrola nad impulsami jest możliwa w światłowodach wykonanych z szkła krzemionkowego. "Szkło krzemionkowe jest niemalże idealną platformą fizyczną do realizacji tego zadania z uwagi na niewielkie straty optyczne w tym medium, niesamowita przeźroczystość oraz długości interakcji rzędu kilometrów" zauważa Radic i dodaje "Zaobserwowaliśmy iż krzemionkowe rdzenie światłowodów mogą być kontrolowane z subnanometrową precyzją z wykorzystaniem ultraszybkich procesów z udziałem zaledwie kilku fotonów". Do niedawna kontrola nad tymi niewielkimi wariacjami rdzenia nie była możliwa, szczególnie w długich światłowodach, jednakże możliwość pomiaru tych fluktuacji umożliwiła ich kontrolę, co pokazało iż do tego potrzebne jest zaledwie kilka fotonów i zapewnia subnanometryczną precyzję. Dzięki sprofilowaniu tych fluktuacji rzeczywistego włókna, wiadomo już jak je kontrolować i wykorzystać w ultraszybkich aplikacjach.

    Kontrola silnych wiązek światła nie jest prosta. Abstrahując od klasycznie używanych technik, opierających się na procesach będących w rezonansie z długością fali kontrolowanej wiązki lub optycznych wnękach rezonansowych które pozwalają na bezpośrednią kontrolę wiązki, zespół z San Diego zaprojektował specjalnie nieliniowe światłowody oraz wygenerował zestawy impulsów niezbędne do przeprowadzenia eksperymentu. Aby zaprojektować opisywany system, naukowcy musieli stworzyć nowy model teoretyczny opisujący interakcję pomiędzy pojedynczymi fotonami w rdzeniu światłowodu, którego budowa kontrolowana jest na poziomie molekularnym, Aby wyprodukować taki światłowód konieczne było także stworzenie precyzyjnych metod jego charakteryzacji. Profesor Radic mówi iż możliwa w tym momencie jest produkcja bramek fotonowych, do wysterowania których wystarczą trzy fotony, pracujące przy częstotliwości przełączania równej 500 GHz. Dwoma kluczowymi dla tej techniki rzeczami są możliwość oceny jaki jest optymalny poziom fluktuacji światłowodu w danej aplikacji oraz to jak dokładnie można je zmierzyć w fizycznej aplikacji.

    Różne światłowody mogą wyglądać identycznie z punktu widzenia konwencjonalnych układów pomiarowych, mogą nawet charakteryzować się takimi samymi standardowymi wariacjami budowy rdzenia, jednakże mogą dramatycznie różnić się swoimi parametrami w przełącznikach fotonicznych. Wynika to głównie z niezwykłej czułości opisywanej techniki na fluktuacje rdzenia

    Czułość na fluktuacje jest szczególnie istotna w kontekście wewnętrznej struktury rdzenia, zastosowanego w światłowodzie, który klasycznie wykonuje się ze szkła. Podstawowym elementem składowym jest tlenek krzemu (Si-O) czyli krzemionka, która formuje molekularne pierścienie o średnicy 0,6 nm. Ta długość definiuje maksymalną rozdzielczość z jaką można wykonać rdzeń światłowodu.

    I tutaj wchodzi trudna część - ocena efektywności i realnej szybkości kontroli nad parametrami światłowodu. Naukowcy byli w stanie ocenić minimalną liczbę fotonów, przepuszczoną przez badany światłowód. Przepuszczony impuls o czasie trwania 2,5 pikosekundy z szczytową mocą równą 178 nW, zawierał zaledwie 3 fotony. Wskazuje to na realną możliwość kontroli wiązek o dużej mocy z wykorzystaniem kilku fotonów.

    "W naszych pracach wykorzystujemy możliwość przełączania lokalnych właściwości światłowodu z pomocą zaledwie kilku fotonów kontrolnych" opisuje profesor Radic. "Nie jet to nazbyt trudne, aby przewidzieć jakie implikacje może mieć szersze zastosowanie opracowanej przez nas technologii. Może być ona zastosowana do stworzenia fotosensorów, których stworzenie wydawało się dotychczasowo niemożliwe" dodaje Radic.

    Aby w pełni skorzystać z tego odkrycia, potrzebna jest nowa klasa światłowodów, w której stochastyczne fluktuacje rdzenia muszą być minimalizowane. Na szczęście zespół naukowców z San Diego już pracuje nad technologiami na to pozwalającymi i jest w stanie przedstawić pierwsze prototypy.

    Źródło:

    http://phys.org/news/2014-09-physicists-ghz-photon.html

  • #2 13 Wrz 2014 17:09
    PRL
    Poziom 33  

    Jak już skończą się GHz, to pozostanie popracować nad przyśpieszeniem prędkości światła.;)

  • #3 13 Wrz 2014 18:17
    QuantumXXX
    Poziom 18  

    PRL napisał:
    Jak już skończą się GHz, to pozostanie popracować nad przyśpieszeniem prędkości światła.;)


    Po GHz są jeszcze THz. A naukowcy od jakiegoś czasu już robią promieniowanie z zakresu THz.

  • #5 13 Wrz 2014 18:39
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    QuantumXXX napisał:
    PRL napisał:
    Jak już skończą się GHz, to pozostanie popracować nad przyśpieszeniem prędkości światła.;)


    Po GHz są jeszcze THz. A naukowcy od jakiegoś czasu już robią promieniowanie z zakresu THz.


    Promieniowanie - tak, od dawna już w sumie THz są 'modne' jak już FIR przestał być ciekawy i wyzywający technicznie. Ale tutaj nie chodzi o częstotliwość samego promieniowania tylko o jego modulację. W przypadku opisanego w artykule układu modulowano światło (pewnie widzialne lub NIR) z częstotliwością 500 GHz. A jak już mamy modulator, który w dodatku działa na trzech fotonach dokładnie, to daleka droga do wyższych układów, na pojedynczych fotonach nie jest.

  • #6 13 Wrz 2014 21:25
    submariner
    Poziom 32  

    Bardzo ciekawe odkrycie, kiedy pojawi się w wersji scalonej? Do tej pory szybkie modulatory dla SiO2 praktycznie nie istniały, może to jest rozwiązanie dla fotoniki krzemowej...

  • #7 16 Wrz 2014 21:05
    P@WEŁ
    Poziom 20  

    Ciekawe kiedy zostanie to "wdrożone" do powszechnego użytku i przyśpieszenia i tak już szybkich sieci światłowodowych.