Le fonctionnement de la technologie moderne nécessite une utilisation toujours croissante de signaux de fréquence à large bande. Cette, à son tour, a augmenté la demande de fiabilité, méthodes efficaces de transmission de signaux qui empêchent les interférences et sont plus efficaces dans leur utilisation du spectre de fréquences à peine disponible. Ces exigences sont contraintes, cependant, par réciprocité - une loi de la physique qui oblige la transmission de la lumière à être identique dans des directions opposées.

Au cours des dernières décennies, les scientifiques et les ingénieurs ont relevé ces défis avec la création d'isolateurs :des dispositifs qui utilisent un champ magnétique externe pour forcer les ondes lumineuses à se déplacer dans une seule direction. Mais cette forme d'isolement des ondes est coûteuse, et il nécessite l'utilisation de grandes, des aimants lourds qui exigent beaucoup d'espace de l'appareil. Un inconvénient supplémentaire est qu'ils ne peuvent pas être intégrés dans des circuits et systèmes à base de silicium.

Dans l'article de couverture publié dans le Nature Électronique , des chercheurs de l'Advanced Science Research Center (ASRC) du Graduate Center de la City University of New York (CUNY) et de l'Université du Texas à Austin détaillent le développement d'une nouvelle méthode d'isolement des ondes lumineuses qui pourrait surmonter ces défis. L'approche innovante ne nécessite pas d'aimants ou toute autre forme de "biais externe" pour une transmission fiable des ondes, pourtant, il assure une isolation à large bande passante très efficace.

« Nous travaillons depuis quelques années sur le dépassement de la réciprocité sans aimants, " a déclaré Andrea Alù, directeur de la Photonics Initiative de l'ASRC et professeur Einstein de physique au Graduate Center. "Dans le passé, nous avons exploré l'utilisation d'appareils avec des éléments mobiles ou changeant dans le temps, mais ces approches posent d'autres défis technologiques. Dans ce document, nous montrons qu'un dispositif non magnétique dépourvu de source d'alimentation externe, grâce à des non-linéarités convenablement adaptées, peut considérablement briser la symétrie de transmission et réaliser une isolation large bande efficace.

Dans leur papier, les chercheurs expliquent pourquoi les tentatives précédentes d'utiliser des non-linéarités pour induire l'isolement se sont heurtées à de mauvaises performances. Alù et son équipe montrent que tout système basé sur un seul résonateur non linéaire pour isoler les ondes est intrinsèquement limité par un compromis de qualité entre le niveau d'isolement, bande passante, et la perte d'insertion, rendant un tel dispositif peu performant et peu pratique. Dans leurs expériences les plus récentes, l'équipe a pu surmonter et résoudre ce problème en utilisant deux résonateurs non linéaires judicieusement conçus connectés via une ligne à retard, montrant qu'il s'agit de la configuration minimale pour permettre une transmission unidirectionnelle à faibles pertes sur une large bande passante. Les composants combinés, qui ont été imprimés sur un circuit imprimé, formé un très efficace, Isolateur entièrement passif qui offre une excellente intégrité du signal.

"Notre percée a été de réaliser que les mauvaises performances de toutes les tentatives passées de construction d'isolateurs non linéaires résidaient dans une limitation résultant de la symétrie d'inversion du temps, et que nous devons trouver un moyen de contourner ce défi, " dit Dimitrios Sounas, auteur principal de l'étude et chercheur scientifique à l'Université du Texas. "Étonnamment, lorsque deux résonateurs non linéaires sont soigneusement conçus et couplés ensemble, on peut obtenir le meilleur des deux mondes :une transmission complète et un isolement infini. »

L'équipe s'attend à ce que les résultats puissent être utilisés dans une variété de technologies, y compris l'électronique grand public, lasers chirurgicaux, systèmes radar et lidar automobiles et circuits et systèmes nanophotoniques. La prochaine étape de la recherche étudiera une variété d'approches pour affiner la fonctionnalité de l'isolateur, y compris l'ajout potentiel de types supplémentaires de résonateurs non linéaires pour réaliser des circulateurs et d'autres dispositifs multiports.