Max Planck Işık Bilimi Enstitüsü (MPL), Hannover Leibniz Üniversitesi (LUH) ve Jena’daki Leibniz Fotonik Teknolojileri Enstitüsü iş birliğiyle yürütülen çalışmada bilim insanları, sıvı çekirdekli optik fiberleri aşırı düşük sıcaklıklarda dondurarak ışık ve ses dalgalarını eş zamanlı yönlendirebilen bir fiber türü geliştirdi. Tasarlanan donmuş fiberler özellikle fotonik nöromorfik (ışık tabanlı beyin taklidi) bilgi işlem ve kuantum sinyal işleme alanlarında enerji tüketimini 100 kattan fazla düşürebilir.
Günümüzde en çok telekomünikasyon (internet ve telefon ağları vb.) alanlarında kullanılan standart fiberlerin görevleri, çekirdeklerinden ışığı yönlendirerek bilgiyi çok hızlı bir şekilde ve uzun mesafeler boyunca iletmek. Standart fiberlerde ışık ve ses dalgalarının etkileşiminin yani “Brillouin-Mandelstam saçılması”nın kısıtlı olduğu biliniyor. Yeni geliştirilen dondurulmuş sıvı çekirdekli fiber teknolojisi, özel kullanım alanları için geliştirilen, içi farklı gaz veya sıvılarla doldurulabilen boş çekirdekli bir fiber versiyonu. Normal fiberler bilgiyi ağırlıklı olarak ışık ile taşırken dondurulmuş yeni fiber hem ışığı hem de hipersonik ses dalgalarını (GHz frekansındaki akustik fononları) bir arada iletebiliyor.
İçi karbon disülfür dolu kablo
Yeni çalışmada araştırmacılar, var olan sıvı dolu fiberleri alıp çekirdeğini dondurmak gibi ek bir adımla yeni form ortaya çıkardı. Standart fiberlerden bin kattan daha güçlü bir Brillouin kazancı sunan bu yeni fiber türünü oluşturmak için iç çapı sadece 1,37 mikrometre ve toplam uzunluğu 5 metre olan çok ince bir silika cam boru kullanıldı. Borunun içerisi doğrusal olmayan optik deneylerde ve lazer araştırmalarında yüksek kırışma indisi ile doğrusal olmayan optik özellikleri nedeniyle sıkça tercih edilen karbon disülfür (CS2) sıvısı ile tamamen dolduruldu.
İçi sıvı dolu olan borunun her iki ucu, ultra yüksek açıklığa (NA) sahip köprü fiberlerle desteklenen standart tek modlu optik fiberlere (SMF) özel bir yöntemle eritilerek birleştirildi (fusion-splices) ve tamamen sızdırmaz hale getirildi. Yeni kablonun içindeki sıvının dışarı sızması veya dış ortamla temas etmesi tamamen engellendi. Bu işlem sayesinde fiber sistem dış ortamdan yalıtılıp sabit hacimli (izokorik) bir sisteme dönüştürüldü. Yani sıcaklık değişse bile çekirdekteki malzemenin kapladığı toplam hacim sabit tutuldu. Bu da soğutma ve dondurma işlemleri sırasında sıvının parçalanıp kabarcık oluşturmasını engelleyerek ışığın fiber içinde kesintisiz ve kayıpsız akmasını sağladı.
Kapalı bir borudaki sıvı soğutulduğunda büzüşür yani kapladığı alan küçülmeye çalışır. Borunun iç çapı çok dar olduğundan sıvı büzüşürken gerilir ve “kavitasyon” adı verilen bir olayla parçalanıp buhar boşlukları oluşturma riski taşır. Bunu engellemek için deney boyunca fiberin iç basıncının her zaman pozitif yani sıvının gerilip buharlaşmasını önleyecek bir iç basınç dengesi sağlandı.
Araştırmacılar fiberin iç basıncını artırmak ve frekansı ayarlamak için fiberin yaklaşık 4 metrelik kısmını 70 dereceye kadar ısıttı. Isınan sıvının genleşme eğilimi sistemin iç basıncını artırdı. Sistem istenen basınca getirildikten sonra fiberin 27,5 santimetrelik bir kısmı doğrudan -196 derecedeki sıvı azotun içine daldırıldı.
Isı ve ses dalgaları etkileşimde
Yapılan işlemler sırasında fiberin içerisinden sürekli olarak 1.550 nanometre dalga boyunda bir lazer geçirildi ve ışık iletimi anlık olarak izlendi. Dondurma ve ısıtma işlemlerine rağmen sistemde herhangi bir iletim kaybı yaşanmadı; aksine ışık iletiminde 0,15 dB’lik hafif bir artış tespit edildi. Bu da aşırı soğutma ve dondurma işlemlerinin fibere hiçbir zarar vermediğini, aksine ışığın kablo içindeki iletim verimliliğinin artırdığını gösteriyor. Üstelik borunun içindeki sıvı donarken kavitasyon adı verilen buhar boşlukları oluşmadığı için ışığın kesintisiz şekilde akmaya devam ettiği görüldü.
Fiberin içinden karşılıklı olarak yönlendirilenbir pompa lazeri ve kontrol dalgası (pump-probe konfigürasyonu) geçirilerek ışık ve ses etkileşimi hassas şekilde ölçüldü. Sıvı haldeyken 2,46 GHz olan Brillouin frekans kayması, dondurulmuş katı evrede 4,81 GHz’ye yükseldi ve çizgi genişliği 24 MHz’e düştü. Bu, dondurulan fiberin bilgiyi taşımada ve depolamada çok daha yüksek bir sinyal kalitesine ulaştığı anlamına geliyor. Ayrıca sistem defalarca kez ısıtılıp dondurularak test edildiğinde her denemede kusursuz ve tekrarlanabilir sonuçlar elde edildiği tespit edildi. Yani dondurulmuş sıvı çekirdekli fiberin kararlı, güvenilir ve tekrarlanabilir bir optik platform olduğu kanıtlandı.
“Optoakustik hafıza” oluşturuldu
Araştırmanın temeli, fiberin içindeki sıvının katılaşmasıyla kırılma indeksinin artması ve böylece ışık ile ses dalgaları arasındaki optoakustik etkileşim şiddetinin (Brillouin kazancının) devasa düzeyde yükseltilmesine dayanıyor. Optoakustik etkileşim bilimsel adıyla Brillouin-Mandelstam saçılması, ışık dalgaları (optik dalgalar) ile ses dalgalarının (akustik dalgalar) şeffaf bir ortam içinde birbirleriyle fiziksel olarak etkileşime girmesi durumu.
Işık dalgaları çok hızlı hareket ederken ses dalgaları ona göre çok yavaş ilerliyor. Bilim insanları bu hız farkını ve aralarındaki güçlü etkileşimi kullanarak düşük enerji harcayan bir veri depolama yöntemi geliştirdi. Sisteme bir veri (ışık sinyali) ve bir kontrol sinyali (lazer darbesi) gönderildi. Gönderilen veri ve kontrol sinyali kablonun dondurulmuş kısmında karşılaştıklarında hızlı olan ışığın taşıdığı optik bilgi, o bölgede oluşan yavaş akustik (ses) dalgasına aktarıldı. Böylece ışık sinyalindeki veri, ses dalgasının içinde akustik formda depolanmış oldu. Belli bir depolama süresi (3 nanosaniye) geçtikten sonra ikinci bir kontrol sinyali gönderildi ve ses dalgasında bekletilen bu bilgi tekrar ışık dalgasına (okuma sinyaline) dönüştürülerek sistemden geri alındı. Bu şekilde optik (ışık) bilginin, akustik (ses) dalgalarına aktarılıp orada bekletilmesi ve istenildiğinde geri çağrılması işlemine “optoakustik hafıza” deniyor.
Bilgisayarlar daha az enerjiye ihtiyaç duyabilir
Standart fiberlere kıyasla bin kat fazla güçlü bir ışık-ses etkileşimi sağlayan dondurulmuş sıvı çekirdekli fiber teknolojisi, laboratuvar ortamında düşük enerjiyle çalışan bir optoakustik hafıza sistemini doğruladı. Bu yüksek etkileşim ve düşük enerji kapasitesi, insan beyninden ilham alan nöromorfik optik bilgisayarların enerji tüketimini 100 kattan fazla düşüreblir. Ayrıca bu yöntemin hassas fiber sensörler, mikrodalga fotonikleri, özel lazeer sistemleri ve tamamen optik sinyal işleme donanımları için yeni bir fiziksel zemin sunabileceği belirtiliyor.
Kaynak: Optica