La tecnologia moderna per funzionare richiede un uso sempre crescente dei segnali ad una frequenza a banda larga. Contemporaneamente è cresciuta la domanda per avere metodi di trasmissione dei segnali affidabili ed efficienti che impediscano interferenze e allo stesso tempo siano più efficienti nell’impiegare il già limitato spettro di frequenze disponibile. Questi requisiti sono limitati dal principio o teorema di reciprocità, semplificando al massimo potremmo dire che si tratta di una legge della fisica che "forza" la trasmissione della luce ad essere identica nei sensi opposti.
Gli isolatori
Negli ultimi decenni, scienziati e ingegneri hanno affrontato queste sfide ideando e realizzando degli isolatori: si tratta cioè di dispositivi che utilizzano un campo magnetico esterno per forzare le onde luminose a viaggiare in una sola direzione. Purtroppo questa forma in grado di isolare le onde luminose è costosa, richiede l'uso di grandi magneti pesanti che a loro volta necessitano di numerosi dispositivi per contenerli. Un ulteriore svantaggio è rappresentato dal fatto che questi isolatori non possono essere integrati in circuiti elettronici e sistemi basati sul silicio.
Immagine - Schema dell'isolatore formato da due risonatori non lineari accoppiati collegati attraverso un circuito ritardante. CREDIT: Andrea Alu - ADVANCED SCIENCE RESEARCH CENTER, GC/CUNY
Un nuovo metodo per isolare le onde luminose
Nell’articolo di apertura pubblicato sulla rivista Nature Electronics, i ricercatori dell’Advanced Science Research Center (ASRC) presso il Graduate Center della City University of New York (CUNY) e dell'Università del Texas di Austin hanno raccontato nel dettaglio lo sviluppo di un nuovo metodo per isolare le onde luminose che potrebbe superare tali ostacoli.
L'approccio innovativo non richiede l’utilizzo di magneti o di qualsiasi altra forma di "polarizzazione esterna" per ottenere una trasmissione affidabile delle onde, tuttavia tale metodo assicura un isolamento a banda larga molto efficiente.
«Sono alcuni anni che stiamo lavorando al superamento del fenomeno della reciprocità senza utilizzare magneti» scrive Andrea Alù, direttore dell'iniziativa fotonica dell’ASRC.
«In passato abbiamo esplorato l'utilizzo di dispositivi con elementi in movimento o che cambiano periodicamente, ma questi approcci pongono altre sfide tecnologiche. In questo articolo, dimostriamo che un dispositivo non magnetico privo di una fonte di energia esterna grazie a delle non linearità realizzate su misura è in grado di rompere drasticamente la simmetria di trasmissione e realizzare l'isolamento efficiente attraverso la banda larga».
Nel loro articolo, i ricercatori spiegano perché i tentativi precedenti di usare le non linearità per indurre l'isolamento hanno ottenuto scarsi risultati.
Il team del prof. Alù ha quindi dimostrato che qualsiasi sistema basato su un singolo risonatore non lineare per isolare le onde è intrinsecamente limitato da uno scambio di qualità tra il livello di isolamento, la larghezza di banda e la perdita di inserzione, rendendo tali dispositivi scarsamente performanti e poco pratici.
Durante gli esperimenti più recenti, il team è stato in grado di affrontare e superare questo problema utilizzando due risonatori non lineari progettati in modo da essere connessi attraverso un circuito ritardante, ciò rappresenta la configurazione minima per abilitare la trasmissione a senso unico su un’ampia larghezza di banda e con una bassa perdita.
La sfida, integrare i componenti su un circuito stampato
Tali componenti inseriti su un circuito stampato, formano un isolatore altamente efficace e completamente passivo che fornisce un'eccellente integrità del segnale.
«Ci siamo resi conto che le scarse prestazioni ottenute nel costruire isolatori non lineari era dovuta a una limitazione derivante dalla simmetria di inversione temporale, quello di cui avevamo bisogno era un modo per aggirare questo ostacolo», ha scritto Dimitrios Sounas, autore principale dello studio e ricercatore presso l'Università del Texas. «In maniera sorprendente abbiamo scoperto che quando due risonatori non lineari vengono accuratamente progettati e accoppiati insieme è possibile ottenere il meglio da entrambi i mondi: la trasmissione completa del segnale e l'isolamento infinito».
Possibili applicazioni dello studio
Secondo i ricercatori i risultati potrebbero essere applicati a diverse tecnologie, tra cui elettronica di consumo, laser per interventi chirurgici, radar automobilistici, sistemi LIDAR (Light Detection and Ranging, radar ottico che impiega un fascio laser invece di un fascio di microonde), sistemi e circuiti nanofotonici.
La prossima fase della ricerca sarà incentrata sull’analisi di una varietà di approcci al fine di ottimizzare la funzionalità dell'isolatore, inoltre gli scienziati cercheranno di aggiungere altri tipi di risonatori non lineari per realizzare circolatori e altri dispositivi multiporta.
Riferimenti
Broadband passive isolators based on coupled nonlinear resonances
Authors: Dimitrios L. Sounas, Jason Soric & Andrea Alù
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