استفاده از امواج صوتی برای پیشرفت ارتباطات اپتیکی

آیا تا به حال بر‌هم‌کنش نور و صدا را مشاهده کرده‌اید؟ به احتمال زیاد پاسخ شما منفی است؛ چرا که این اثر قابل مشاهده نیست. اما راهی وجود دارد.

پژوهشگران دانشگاه ایلینوی مدعی هستند که می‌توان به‌ کمک امواج صوتی، دیود‌ها‌ی اپتیکی بسیار کوچکی ساخت و به‌راحتی در تراشه‌ها‌ی یک کامپیوتر به‌ کار برد. این ابزار‌ها‌ی کوچک به‌نام جدا‌ساز‌ها‌ی اپتیکی شناخته می‌شوند. مشکلاتی از قبیل ظرفیت داده‌ها و اندازه‌ی سیستم‌ها در مدار‌ها‌ی دست‌ساز، با استفاده از این ابزار قابل حل هستند. مبنای کار مدار‌ها‌ی الکترونیکی ساخته‌شده نور است و از آن‌ها برای محاسبات پیچیده و برقراری ارتباط استفاده می‌شود.

کار جدا‌ساز‌ها‌ی اپتیکی، مشابه کار دیود‌ها‌ی الکترونیکی، یک‌سو کنندگی است. این جدا‌ساز‌ها از بازتابش لیزر جلو‌گیری می‌کنند و برای مشخص کردن مسیر نور، حول شبکه‌ها‌ی اپتیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. پژوهشگران مدعی هستند که برای ساخت این ابزار‌ها به‌وسیله‌ی تکنولوژی امروزی، باید از موادی استفاده کرد که ویژگی‌ها‌ی اپتیکی آن‌ها در پاسخ به میدان‌ها‌ی مغناطیسی تغییر کند. به‌گفته‌ی پروفسور گاراو بال:

استفاده از مواد حساس به میدان مغناطیسی به‌منظور ساخت تراشه‌ها‌ی یک‌سو کننده‌ی نور، مشکلات خاص خود را دارد. اول این‌که در صنعت کنونی، ظرفیت لازم برای قرار دادن مگنت‌ها‌ی کوچک روی تراشه‌ها وجود ندارد. اما از آن مهم‌تر این است که مواد و ابزار ضروری این کار نیز در حال حاضر در کارگاه‌ها‌ی ما وجود ندارد. به‌همین دلیل نیاز به مواد دفع‌کننده‌ی میدان مغناطیسی در صنعت شدیدا احساس می‌شود.

در یکی از پژوهش‌ها‌ی انجام‌شده در این زمینه، پژوهشگران توضیح دادند که چگونه می‌توان از جفت شدن صدا و نور به راه حل یکتایی برای دست‌یابی به این ابزار‌ها رسید. این پژوهش در Nature Photonics منتشر شده است. پژوهشگران معتقدند که در این مورد، اندازه‌ی فیزیکی سیستم و در دسترس بودن مواد مورد نیاز تنها مشکلات پیش رو نیستند. به‌گفته‌ی بنجامین سون:

تلاش اعضای آزمایشگاه برای ساخت جدا‌ساز‌ها‌ی اپتیکی و مغناطیسی همیشه با مشکل هدر رفت اپتیکی رو‌به‌رو می‌شود. حقیقت این است که صنعت فوتونیک توانایی غلبه بر این مشکل را ندارد و همچنین به راه حلی برای فراهم کردن پهنای باند بسیار بیش‌تری نسبت به تکنیک‌ها‌ی مغناطیسی قدیمی دارد. تاکنون هیچ راه حلی برای این مشکلات پیدا نشده است.

اندازه‌ی ابزار جدید مطرح‌شده فقط ۲۰۰ در ۱۰۰ میکرون است؛ یعنی ۱۰ هزار بار کوچک‌تر از یک سانتی‌متر مربع. این ابزار از آلومینیوم نیترید ساخته شده است. این ماده بسیار شفاف است و نور را از خود عبور می‌دهد.

سون می‌گوید:امواج صوتی از راهی شبیه به بلند‌گو‌ها‌ی پیزو‌الکتریک تولید می‌شوند؛ به این شکل که الکترود‌ها‌ی کوچک به‌وسیله‌ی بیم الکترونی، روی آلومینیوم نیترید لایه‌نشانی می‌شوند. همین امواج صوتی نور را وادار به حرکت در یک جهت می‌کنند. این اولین باری است که یک جدا‌ساز دفع‌کننده‌ی میدان مغناطیسی از محدوده‌ی پهنا‌ی باند گیگاهرتز، فراتر می‌رود.

پژوهشگران به‌ دنبال راهی برای افزایش پهنای باند یا ظرفیت داده‌ها‌ی این جدا‌ساز‌ها هستند و تا حدودی خیالشان از این بابت راحت است؛ چرا که به‌ موفقیت خود اعتقاد دارند. در صورت موفقیت طرح، آن‌ها پیشرفت شگرفی در ابزار‌ها‌ی انتقال در سیستم ارتباطات فوتونی، ژیروسکوپ‌ها، سیستم GPS، ساعت‌ها‌ی اتمی و مرکز داده‌ها متصور می‌شوند. بال می‌گوید:

مرکز‌ها‌ی داده با مقدار بسیار زیادی ترافیک داده‌ها‌ی اینترنتی سر و کار دارند و کار با این حجم از داده، توان بسیار زیادی از سرور‌ها‌ی شبکه‌ها‌ی اینترنتی می‌گیرد. ارتباطات فوتونی بسیار به‌صرفه‌تر و  مطلوب‌تر است؛ چرا که هدر رفت انرژی را به حد‌اقل می‌رساند؛ به این معنا که انرژی کم‌تری برای خنک کردن سرور هنگام انتقال داده‌ها نیاز است.

پژوهشگران علاوه بر اینکه مسحور پتانسیل‌ها‌ی تکنولوژیکی این طرح شده‌اند، از علم توصیف‌کننده‌ی آن نیز بسیار شگفت‌زده هستند. بال گفت:ما در زندگی عادی و روزمره برهم‌کنش‌ها‌ی نور و صدا را نمی‌بینیم. نور می‌تواند بدون تغییر از یک جام شیشه‌ای عبور کند. پژوهش ما نشان می‌دهد که نور و صدا بر‌هم‌کنش بسیار ظریفی با یک‌دیگر دارند. اگر اصول مهندسی درست را رعایت کنیم، می‌توانیم مشکلات علمی پیش رو را حل کنیم. این جادویی به نظر می‌رسد.