Det er mange fordeler ved å overføre datasignaler med lys fremfor strøm, hvorav lavere energibruk og varmeutvikling er blant de viktigste. Derfor har mange aktører jobbet i en årrekke med å utvikle slike systemer. Men fortsatt gjenstår det utfordringer.

En gruppe forskere ved Stanford Universitety, under ledelse av professor Jelena Vuckovic, har utviklet en algoritme som både kan automatisere prosessen ved å designe optiske strukturer og å lage dem i svært små størrelser.

Forskerne oppdaget, ved hjelp av konsepter hentet fra den matematiske tilnærmingen konveks optimalisering, hvordan man automatisk kan lage nye former i nanostørrelser for å få lys til å opptre på spesifikke måter.

«Strekkode»
Nå har Vuckovic, sammen med doktoranden Alexander Piggott, demonstrert at algoritmen kan brukes til blant annet å lage en «optisk link» som er kompatibel med dagens fiberoptiske nettverk.

Forskerne forklarer at den optiske linken består av et lite stykke silisium hvor det har blitt etset ut et mønster som minner om en strekkode. Når komponenten belyses, vil to ulike bølgelengder av lyset – 1300 nanometer og 1550 nanometer – splittes i hver sin retning som begge er i rett vinkel i forhold til den innkommende lyset. Det dannes altså en T-form.

De to nevnte bølgelengdene, som tilsvarer C- og O-båndet, er mye brukt i fiberoptiske nett.

Ifølge Vuckovic har nanofotonikk-forskere i mange år lagd strukturer ved hjelp av intuisjon, enkle geometrier og regelmessige former.

– Strukturene man kan produsere med denne algoritmen ligner ikke på noe som har blitt lagt tidligere, sier hun.

Utgangspunktet for forsøket med i lage den optiske linken, var at man ønsket en struktur som rutet C- og O-båndene i motsatt retning av hverandre. Selve designen for å oppnå dette, ble overlatt til algoritmen.

– Vi ønsket å kunne la programvare designe strukturen i en gitt størrelse ved bare å oppgi ønsket input og output for enheten, forteller Vuckovic.

15 minutter
Algoritmen begynte deretter å jobbe med en enkel design av ren silisium. Ved å gjøre hundrevis av små justeringer fant den stadig bedre strekkode-strukturer for å produsere det ønskede lyset ut av enheten. Algoritmen kan designe denne strukturen i løpet av 15 minutter på en vanlig bærbare pc.

Forskerne har også brukt algoritmen til å designe en rekke andre enheter, inkludert en svært kompakt «sveitserost»-struktur som ruter lys til ulike utganger basert på lysets modus i stedet for bølgelengde.

Brytningsindeks
Bakgrunnen for at strekkodemønsteret til den optiske linken kan brukes til å splitte lys med ulike bølgelengder, på samme måte som en svært liten prisme, er knyttet til hastigheten lyset beveger seg med i ulike materialer.

Det man vanligvis omtaler som lyshastigheten (c), omtrent 300.000 kilometer per sekund, er egentlig hastigheten lyset beveger seg gjennom vakuum. I materialer som luft, vann og ikke minst silisium beveger lyset seg langsommere. Det er brytningsindeksen til materialet som avgjør.

Lyshastigheten i et materiale (v) tilsvarer lyshastigheten i vakuum, dividert med brytningsindeksen (n) i det aktuelle materiellet (v=c/n). I luft er brytningsindeksen litt over 1. Ifølge Vuckovic er brytningsindeksen i silisium 3,5. Det vil si at lyset beveger seg med hastighet på drøyt 85.000 kilometer i sekundet i dette materialet.

Disse hastighetsforskjellene er det som fører til at lyset brytes, noe man for eksempel kan se dersom man kikker på et sugerør i et glass med vann. Det ser ut til å være forskjøvet fordi lyset beveger seg langsommere gjennom vannet enn mellom vannet og tilskuerens øyne.

Strekkode-mønsteret
Algoritmen til Stanford-forskerne designet en struktur hvor det på en spesifikk måte veksles mellom striper med silisium og mellomrom med luft. Enheten utnytter det faktum at når lys går fra ett medium til et annet, vil noe lys overføres mens noe lys blir reflektert. Når lys beveger seg gjennom den silisium-baserte «strekkoden», blir det reflekterte lyset interferert med lyset som det overførte lyset – med det forskerne omtaler som kompliserte måter.

Algoritmen har likevel greid å designe strekkoden slik at den bruker denne interferensen til å dirigere én bølgelengde mot venstre og en annen mot høyre. Det hele gjøres i en silisiumbrikke som er åtte mikrometer lang.

En artikkel om forskningen er publisert i journalen Scientific Reports.