Проводной для звука: третья волна возникает в интегральных схемах

Оптические волокна являются нашей глобальной нервной системы, транспортировки терабайт данных на всей планете в мгновение ока.

Как эта информация распространяется со скоростью света по всему земному шару, энергия световых волн двигается внутри кремнезема и полимера волокна создают крошечные вибрации, которые приводят к отзывы пакеты звуковых или акустических волн, известных как фононы’.

Эта обратная связь заставляет свет рассеиваться, явление, известное как ‘врмб’.

Для большинства электроники и коммуникационной индустрии, это рассеяние света является помехой, снижение мощности сигнала. Но есть группа ученых, этот процесс обратную связь адаптируются к разработке нового поколения интегральных схем, которые обещают революционизировать наше 5G и широкополосных сетей, датчиков, спутниковой связи, радиолокационных систем, систем защиты и даже радиоастрономии.

«Не будет преувеличением сказать, что есть исследования эпохи Возрождения в этот процесс», — сказал профессор Бен Эгглтон, директор Университета Сиднейского Института нано и соавтор комментарий статье, опубликованной сегодня в Nature фотоники.

«Применение этого взаимодействия света и звука на микросхеме предоставляет возможность для третий-волна революции в интегральных схемах».

Открытий микроэлектроники после Второй мировой войны представлен первая волна в интегрированных сетей, которые привели к повсеместное распространение электронных устройств, которые полагаются на кремниевых чипов, такие как мобильный телефон. Вторая волна пришла в начале этого века с развитием оптических систем электроники, которые стали основой огромных центрах обработки данных по всему миру.

Сначала электричество, затем свет. А теперь третья волна со звуковыми волнами.

Профессор Эгглтон является мировым-ведущий научный сотрудник исследования, как применить эту фотон-фононного взаимодействия для решения реальных мировых проблем. Его исследовательская группа, основанная в Сиднее нанонауки ступицы и школьной физики выпустил более 70 статей на эту тему.

В сотрудничестве с другими мировыми лидерами в этой области, сегодня он опубликовал обзорную статью в природе фотоники изложением истории и потенциал того, что ученые называют интегрированным Бриллюэна фотоника’. Его авторами являются профессор Кристофер Поултон в Сиднейский технологический университет; профессор Питер Ракич из Йельского университета, профессор Майкл Сталь в Университете Макквари; и профессор Гаурав Баль из Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампейн.

Профессор Баль сказал: «в настоящем документе излагается богатый физики, который вытекает из такого фундаментального взаимодействия как между светом и звук, который встречается во всех состояниях материи.

«Мы не только видим огромное технологических применений, но и богатство чисто научных исследований, которые сделали возможным. Мандельштам-бриллюэновское рассеяние света помогает нам определить свойства материала, преобразующие световые и звуковые двигаться через материалы, остудить мелкие предметы, измерения пространства, времени и инерции, и даже транспорт оптической информации».

Профессор Поултон заявил: «Это большой аванс здесь является одновременное управление световой и звуковой волн на очень малых масштабах.

«Этот тип управления невероятно сложно, хотя бы потому, что два типа волн имеют очень разные скорости. Огромный прогресс в развитии производства и теории, описанные в этой статье, демонстрируют, что эта проблема может быть решена, и что мощное взаимодействие света и звука, таких как рассеяние Бриллюэна теперь могут быть использованы на одном кристалле. Это открывает путь к целому ряду приложений, которые подключаются оптики и электроники».

Профессора стали сказал: «одним из интересных аспектов интегрированной технологии Бриллюэна является то, что она охватывает диапазон от фундаментальных открытий в звук-свет взаимодействий на квантовом уровне очень практичные устройства, такие как гибкие фильтры в мобильной связи».

Рассеяние света обусловлено его взаимодействием с акустическими фононами предсказал французский физик Леон Бриллюэн в 1922 году.

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

В 1960-х и 1970-х годов интересный процесс был обнаружен, где вы могли бы создать более эффективную обратную связь между фотонами (светом) и фононов (звуковых). Это известно как врмб (ГПС).

В этом СБС процесс световые и звуковые волны ‘в сочетании’, процесс усиливается тем, что длина волны света и звука похожи, хотя их скорость на много порядков друг от друга: скорость света в 100 000 раз быстрее, чем звук, который объясняет, почему вы видите молнию, прежде чем вы слышите гром.

Но почему вы хотите, чтобы увеличить мощность этого эффекта обратной связи Бриллюэна?

«Управление информацией на микрочип может занять много энергии и производят много тепла,» профессор Эгглтон сказал.

«Как наша зависимость от оптических данных возросла, процесс взаимодействия света с системами микроэлектроники стало проблематично. Процесс СБС предлагает нам совершенно новый способ интеграции оптической информации в среде чип, используя звуковые волны в качестве буфера, чтобы замедлить данные без тепла, что электронные системы производства.

«В дальнейшем, интегральных схем с использованием СБС предлагают возможность заменить компоненты в пилотажно-навигационных системах, которые могут быть 100 — или 1000 раз тяжелее. Это не будет банальным достижением».

СНИЖЕНИЕ СЛОЖНОСТИ

Как сдержать процесс свето-звуковой взаимодействие стало камнем преткновения, но как профессор Эгглтон и коллеги обращают внимание в природе фотоники сегодня, в последнее десятилетие наблюдается огромный прогресс.

В 2017 году, исследователи д-р Биргит и Мориц Стиллер Merklein из группы Эгглтон в Университете Сиднея объявил о мире-первая передача света акустической информации на чипе. Чтобы подчеркнуть разницу между скоростями света и звука, это было описано как ‘хранение молнию внутри гром’.

Д-р Амоль Чудхари дальнейшее развитие этой работы в 2018 году, разрабатывает микросхемы на основе метода восстановления информации, что отпала необходимость в громоздких систем обработки.

«Это все о сокращении сложность этих систем, поэтому мы можем разработать общую концептуальную основу для комплексной системы», профессор сказал Эгглтон.

Растет интерес со стороны промышленности и правительства в развертывании этих систем.

Сидней нано недавно заключила партнерство с ВВС Австралии, чтобы работать со своей программой Иерихон план революционизировать способность воспринимать РААФ по. Такие компании, как Lockheed Martin и корпорации Харрис также работаем с группой Эгглтон.

ПРЕДСТОЯЩИЕ ЗАДАЧИ

Есть несколько барьеров, которые необходимо преодолеть, прежде чем этот чип интегральных система может быть развернута в продаже, но выигрыш в плане размера, веса и мощности (своп) будет стоить затраченных усилий, профессор, — сказал Эгглтон.

Первая задача состоит в разработке архитектуры, которая объединяет микроволновая печь и радио частоты процессоров с оптико-акустического взаимодействия. Как результаты Группы Эгглтон показывают, там были большие успехи на пути к достижению этой цели.

Второй вызов-снижение шума (или помех) в системе вызваны нежелательный свет рассеяния, что ухудшает отношение сигнал-шум. Одно предложение-чтобы у микросхем, работающих при криогенных температурах вблизи абсолютного нуля. Пока это будет иметь важные практические последствия, но это может также вызвать квантовых процессов в игру, обеспечивая больший контроль фотон-фононного взаимодействия.

Там тоже живые расследование наиболее подходящих материалов, на основе которых формируются эти интегрированные системы. Кремний имеет свои очевидные преимущества, учитывая большинство микроэлектроники, созданных на основе этой недорогой, массовый материал.

Однако, кремнезема, используемая в оптических волокон в сочетании с кремниевой подложке означает, что информация может просочиться учитывая схожесть материалов.

Найти материалы, которые эластичны и достаточно эластичным, чтобы содержать световых и звуковых волн, позволяя им взаимодействовать один предложил авеню. Некоторые исследовательские группы используют халькогенидных, мягкой стеклянной подложки с высоким показателем преломления и низкой жесткости, которые могут ограничить оптических и упругих волн.

Соавтор обзора, профессор стали из Университета Маккуори, сказал: «на данном этапе все материальные системы имеют свои сильные и слабые стороны, и это еще плодотворных исследований.

Профессор Эгглтон отметил: «Эта новая парадигма в обработке сигналов с использованием световых волн и звуковых волн открывает новые возможности для фундаментальных исследований и технологических разработок».

Декларация: профессор Эгглтон признает поддержке австралийского исследовательского совета рычага грант (LP170100112) с Корпорацией Harris и Управлением военно-морских исследований США. Профессор стелл с профессором Эгглтон и профессор Поултон признать поддержке проекта Открытие DP160101691 дуги. Профессор Баль признает поддержке Управления военно-морских исследований и Национальный научный фонд США.