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以光控制光:放大訊號的光機械裝置

一個在 Minnesota 大學的科學家與工程師團隊發明一種獨特的微米級光學裝置,能大幅增加線上資訊的下載速度並減少網際網路傳輸的成本。

該裝置利用光所產生的力量,使一個機械性光開關以非常高的速度在 on 與 off 之間來回拍動(flop)。使用效能更高且耗能更低的光而非電流,這項發展能導致運算與訊號處理的進步。

研究結果發表在 Nature Communications 期刊上。

「此裝置類似電磁繼電器,但完全以光運作,」Mo Li 說,他是Minnesota 大學科學與工程學院電機與電腦工程系助理教授。

這項新研究是基於 Li 與同僚在 2008 年的先前發現,那時他們發現奈米級光導管(conduits)可用來產生夠強的光力(optical force),以機械性的方式移動光導波(optical waveguide,承載光的資訊通道)。在這項新裝置中,研究者發現,光的力量如此強烈,以至於該裝置的機械特性能完全由光效應而非其本身的機械結構所主宰。此效應經過放大,以非常高的力量層次(power level)來控制額外的色光訊號。

「這是首度利用這種新奇的光機械效應(optomechanical effect)來放大光訊號,而無須將之轉換成電訊號,」Li 表示。

利用分配給不同通道的不同色光,玻璃光纖能承載許多通訊通道。在光纜中,這些顏色不同的光通道並不會彼此干涉。這種非干涉特性確保單根光纖在非常長的距離下,傳輸更多資訊的效率。不過這項進展亦窩藏缺點。當考慮運算與訊號處理時,光裝置不允許不同的資訊通道輕易地控制彼此… 直到現在。

研究者的新裝置有二個光導波,每個都攜有一光訊號。形狀如微米級甜甜圈般的光學共振器(像一個迷你版強子對撞機)置於導波之間。在光學共振器中,光能夠循環數百次變得更強。

利用這種共振效應,在第一導波內的光訊號於共振器內被顯著強化,並在第二導波上產生非常強的光力。第二導波從支持材料鬆開,故當光力施加其上時,其如音叉般,以振盪方式移動。這種波導的機械性運動改變光訊號的傳輸。因為第二光訊號的功率可比控制訊號高出許多倍,故此裝置作用如同一個機械式繼電器,用來放大輸入訊號。

目前,這個新的光繼電(optical relay)裝置每秒運作一百萬次。研究者希望能將其改善至每秒數十億次。目前裝置的機械性運動速度夠快,可直接以光纖連接 RF 裝置進行寬頻通訊。

Li 在 Minnesota 大學的團隊包括畢業生 Huan Li、Yu Chen 以及 Semere Tadesse,還有前博士後研究員 Jong Noh。本計畫資金來自 Minnesota 大學科學與工程學院以及空軍科研辦公室。

資料來源:Using light to control light: Engineers invent new device that could increase Internet download speeds. Phys.org [October 2, 2012]

轉載自 only perception

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