Eine neue Methode zur Herstellung von Geräten, die wie eine „Einbahnstraße“ für Licht fungieren, wurde von Forschern in China und Japan entwickelt. Die Technik, die die Grenze der dynamischen Reziprozität in nichtlinearen optischen Systemen durchbricht, könnte für Anwendungen in der photonenbasierten Informationsverarbeitung wichtig sein.
Reziprozität – oder genauer Lorentz-Reziprozität – ist ein grundlegendes Prinzip der Optik, das besagt, dass sich elektromagnetische Signale in beiden Richtungen frei durch eine optische Faser oder einen elektrischen Schaltkreis ausbreiten müssen. Beispielsweise kann sich ein Mikrowellenimpuls entlang eines Wellenleiters in beide Richtungen bewegen, und ein Lichtsignal kann sich entlang einer optischen Faser in beide Richtungen bewegen. Dieser Verkehr in beide Richtungen kann Probleme wie Rückstreuung verursachen, die die Stärke des übertragenen Signals verringert.
Einige Technologien zur Vermeidung von Reziprozität existieren bereits. Isolatoren in Radar-Mikrowellensendern umgehen beispielsweise die Reziprozitätsregel, indem sie ein großes externes Magnetfeld verwenden, um die Wellen zu isolieren, die sich in der reflektierten (rückwärtigen) Richtung ausbreiten. Die dazu eingesetzten Vorrichtungen, sogenannte Faraday-Rotoren, beruhen jedoch auf dem magneto-optischen Effekt und erfordern daher starke, schwere Magnete. Solche Magnete sind mit photonischen Chips nicht kompatibel und erhöhen zudem den Stromverbrauch von Schaltungen erheblich. Obwohl nichtmagnetische Isolatoren entwickelt wurden, war ihre Leistung bisher schlecht.
Kerr-Nichtlinearität
Eine alternative Möglichkeit, die Lorentz-Reziprozität zu brechen, besteht darin, optische nichtlineare Effekte wie die Kerr-Nichtlinearität zu verwenden, die beobachtet wird, wenn sich Licht hoher Intensität durch ein Medium ausbreitet. Die einfachste Manifestation dieses Effekts kann als Änderung des Brechungsindex des Mediums beschrieben werden, die proportional zur Intensität des Lichts ist. Im Gegensatz zu magnetooptischen Effekten sind nicht reziproke Geräte, die eine solche optische Nichtlinearität verwenden, mit der Integration photonischer Chips kompatibel, erklärt Keyu Xia of Nanjing-Universität, Nanjing, der die neuen Forschungsanstrengungen zusammen mit leitete Franco Nori dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. RIKEN Quantenrechenzentrum. Kerr-Nichtlinearität existiert in vielen optischen Materialien, einschließlich Silizium, das in der Photonik weit verbreitet ist.
Bei der Konstruktion nichtlinearer Isolatoren und Zirkulatoren sind Wissenschaftler daran gewöhnt, die Kerr-Nichtlinearität von Materialien einzeln in einem Schaltkreis oder Wellenleiter zu berücksichtigen, fügt Xia hinzu. "Dies führt zu "dynamische Reziprozität", was ein weiteres Problem verursacht: Ein nichtlineares Nichtreziprozitätsgerät kann die Rückstreuung nicht blockieren, wenn die sich vorwärts und rückwärts ausbreitenden Lichtfelder gleichzeitig in das Gerät eintreten, was eine grundlegende Einschränkung für nichtlineare Kerr-Mode-Geräte auferlegt, die als optische Isolatoren verwendet werden“, erklärt er .
Xia und Kollegen haben nun gezeigt, dass ein nichtlineares optisches Material wie Silizium verwendet werden kann, um dieses Problem zu überwinden und On-Chip-Geräte (wie optische Isolatoren und Zirkulatoren) herzustellen, wenn zwei separate Nichtlinearitätseffekte berücksichtigt werden. Der erste, als Selbst-Kerr-Effekt bekannte, ist ein optischer Nichtlinearitätseffekt, der eine Phasenverschiebung erzeugt, die proportional zum Quadrat der Anzahl der Photonen im Feld ist. Die zweite, Cross-Kerr-Nichtlinearität genannt, ist ein kohärenter Effekt, der die optische Reaktion des Mediums auf Licht bei ausgewählten Frequenzen dramatisch verändert.
Dynamische Nichtreziprozität erreichen
Die neue Technik funktioniert, weil in den meisten optischen nichtlinearen Materialien die Selbst- und Kreuz-Kerr-Nichtlinearitäten unterschiedliche Stärken haben. Wenn die sich vorwärts und rückwärts ausbreitenden Lichtfelder gleichzeitig in eine Vorrichtung wie einen Mikroringresonator (hergestellt aus einem nichtlinearen Material auf Siliziumbasis) eintreten, kann die Modulation, die von den Selbst- und Kreuz-Kerr-Nichtlinearitäten herrührt, daher verursachen unterschiedliche Resonanzfrequenzen für die Vorwärts- und Rückwärtszirkulationsmodi. Diese werden normalerweise als Modus im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn bezeichnet. „Wir haben uns diese Chiralität zunutze gemacht, um in einem passiven System aus einem Mikroringresonator, zwei Wellenleitern und einem Absorber eine dynamische Nichtreziprozität zu erreichen“, erklärt Xia.
Schallwellen brechen die Reziprozität der Lichtübertragung
„Unsere vorgeschlagene Methode umgeht die grundlegende Einschränkung der dynamischen Reziprozität, die der nichtlinearen Optik auferlegt wird“, sagt er Physik-Welt. „Dasselbe Konzept wurde experimentell demonstriert von eine andere Gruppe an der Stanford University für einen optischen Isolator auf dem Chip. Unsere Arbeit, erschienen in Chinesische Physikbriefe, öffnet eine Tür für die Realisierung von optischen Isolatoren und Zirkulatoren auf dem Chip und wird somit den Integrationsgrad und die Funktion von photonischen Chips steigern.“
Die Forscher testen nun ihre integrierten nicht-reziproken Geräte in ihrem Labor. Der bei diesem Verfahren verwendete Mikroringresonator begrenzt die verfügbare nichtreziproke Bandbreite stark auf eine sehr enge Skala von etwa Hunderten von MHz. Daher planen sie, dies zu verbessern und sogenannte Einfügungsverluste zu reduzieren, indem sie nur Kerr-nichtlineare optische Wellenleiter verwenden. „Ein solches neues Design würde viele wichtige und praktische Anwendungen von nichtlinearen Isolatoren und Zirkulatoren auf dem Chip ermöglichen, da es photonische Informationen schneller und mit geringerem Lichtverlust verarbeiten kann“, sagt Xia.
- SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
- Platoblockkette. Web3-Metaverse-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
- Quelle: https://physicsworld.com/a/nonlinear-resonator-breaks-dynamic-optical-nonreciprocity/
- a
- LiveBuzz
- Konto
- Erreichen
- Handlung
- Fügt
- bereits
- Alternative
- und
- Ein anderer
- Anwendungen
- angewandt
- um
- vereinbart worden
- verfügbar
- Vermeidung von
- Bandbreite
- weil
- Blockieren
- Auftrieb
- Break
- geht kaputt
- Hell
- Haufen
- namens
- kann keine
- Verursachen
- Ursachen
- Übernehmen
- Änderungen
- China
- Chip
- Pommes frites
- Kreis
- KOHÄRENT
- Kopien
- Kommen
- kompatibel
- Computing
- konzept
- betrachtet
- Bestehend
- Verbrauch
- Kontrast
- könnte
- Synergie
- beschrieben
- Design
- Entwerfen
- entwickelt
- Gerät
- Geräte
- anders
- verschieden
- Richtung
- Verteilung
- Von
- Dramatisch
- im
- dynamisch
- bewirken
- Effekten
- Anstrengung
- entweder
- Die elektrische
- Enter
- Beispiel
- existiert
- Experiment
- Erklärt
- extern
- beschleunigt
- Feld
- Felder
- Vorname
- vorwärts
- für
- Funktion
- fundamental
- bekommen
- Gruppe an
- aber
- HTTPS
- hunderte
- Image
- wichtig
- auferlegten
- imposant
- zu unterstützen,
- in
- Einschließlich
- Erhöhung
- Index
- Individuell
- Information
- integriert
- Integration
- Problem
- IT
- Japan
- bekannt
- Labor
- grosse
- umwandeln
- geführt
- !
- Lichtfelder
- LIMIT
- Grenzen
- SIEHT AUS
- Verlust
- Verluste
- gemacht
- Magnetfeld
- Magnete
- um
- Making
- viele
- Ihres Materials
- Materialien
- max-width
- mittlere
- Methode
- Modi
- mehr
- vor allem warme
- schlauer bewegen
- Natur
- Neu
- Normalerweise
- Anzahl
- öffnet
- Optik
- Überwinden
- Passiv
- Leistung
- Phase
- Photonen
- Physik
- Plan
- Plato
- Datenintelligenz von Plato
- PlatoData
- Arm
- Werkzeuge
- Praktisch
- genau
- Prinzip
- Aufgabenstellung:
- Probleme
- Prozessdefinierung
- Verarbeitung
- vorgeschlage
- veröffentlicht
- Puls
- Quant
- Quantencomputing
- Radar
- Realisierung
- Veteran
- reduziert
- reflektiert
- erfordern
- Forschungsprojekte
- Forscher
- Resonanz
- Antwort
- RIKEN
- Regel
- gleich
- sagt
- Skalieren
- Wissenschaftler
- Zweite
- ausgewählt
- getrennte
- verschieben
- gezeigt
- Signal
- Signale
- Silizium
- So
- bis jetzt
- Klingen
- quadratisch
- Stärke
- Stärken
- stark
- so
- System
- Systeme und Techniken
- Einnahme
- Technologies
- erzählt
- Testen
- Das
- ihr
- deswegen
- Durch
- Daumennagel
- Zeit
- zu
- gemeinsam
- der Verkehr
- Sender
- reisen
- was immer dies auch sein sollte.
- Universität
- -
- Wellen
- Wege
- welche
- während
- WHO
- weit
- werden wir
- Arbeiten
- Werk
- würde
- Zephyrnet