Une nouvelle méthode de fabrication d'appareils qui agissent comme une "rue à sens unique" pour la lumière a été développée par des chercheurs en Chine et au Japon. La technique, qui dépasse la limite de la réciprocité dynamique dans les systèmes optiques non linéaires, pourrait être importante pour les applications de traitement de l'information à base de photons.
La réciprocité – ou plus précisément la réciprocité de Lorentz – est un principe fondamental de l'optique qui décrète que les signaux électromagnétiques doivent se propager librement dans les deux sens à travers une fibre optique ou un circuit électrique. Une impulsion micro-onde, par exemple, peut se déplacer dans les deux sens le long d'un guide d'ondes et un signal lumineux peut se déplacer dans les deux sens le long d'une fibre optique. Ce trafic bidirectionnel peut causer des problèmes tels que la rétrodiffusion, qui réduit la force du signal transmis.
Certaines technologies permettant d'éviter la réciprocité existent déjà. Les isolateurs dans les émetteurs radar à micro-ondes, par exemple, contournent la règle de réciprocité en utilisant un grand champ magnétique externe pour isoler les ondes se déplaçant dans la direction réfléchie (vers l'arrière). Cependant, les dispositifs utilisés pour y parvenir, appelés rotors de Faraday, reposent sur l'effet magnéto-optique et nécessitent donc des aimants puissants et lourds. De tels aimants sont incompatibles avec les puces photoniques, et ils augmentent également considérablement la consommation électrique des circuits. Bien que des isolateurs non magnétiques aient été développés, leurs performances ont été médiocres jusqu'à présent.
Non-linéarité de Kerr
Une autre façon de briser la réciprocité de Lorentz consiste à utiliser des effets optiques non linéaires tels que la non-linéarité de Kerr, qui est observée lorsque la lumière à haute intensité se propage à travers un milieu. La manifestation la plus simple de cet effet peut être décrite comme un changement de l'indice de réfraction du milieu qui est proportionnel à l'intensité de la lumière. Contrairement aux effets magnéto-optiques, les dispositifs non réciproques utilisant une telle non-linéarité optique sont compatibles avec l'intégration de puces photoniques, explique Keyu Xia of Université de Nankin, Nankin, qui a dirigé le nouvel effort de recherche avec Franco Nori des Centre de calcul quantique RIKEN. La non-linéarité de Kerr existe dans de nombreux matériaux optiques, y compris le silicium, qui est largement utilisé en photonique.
Lors de la conception d'isolateurs et de circulateurs non linéaires, les scientifiques sont habitués à prendre en compte la non-linéarité Kerr des matériaux individuellement dans un circuit ou un guide d'ondes, ajoute Xia. "Cela mène à "réciprocité dynamique", ce qui pose un autre problème : un dispositif de non-réciprocité non linéaire ne peut pas bloquer la rétrodiffusion lorsque les champs lumineux se propageant vers l'avant et vers l'arrière pénètrent dans l'appareil en même temps, imposant ainsi une contrainte fondamentale aux dispositifs non linéaires en mode Kerr utilisés comme isolateurs optiques », explique-t-il. .
Xia et ses collègues ont maintenant montré qu'un matériau optique non linéaire, tel que le silicium, peut être utilisé pour surmonter ce problème et fabriquer des dispositifs sur puce (tels que des isolateurs optiques et des circulateurs) lorsque deux effets de non linéarité distincts sont pris en compte. Le premier, appelé effet self-Kerr, est un effet de non-linéarité optique qui produit un déphasage proportionnel au carré du nombre de photons dans le champ. La seconde, appelée non-linéarité cross-Kerr, est un effet cohérent qui modifie considérablement la réponse optique du milieu à la lumière à des fréquences sélectionnées.
Atteindre la non-réciprocité dynamique
La nouvelle technique fonctionne parce que dans la plupart des matériaux optiques non linéaires, les non-linéarités auto- et cross-Kerr ont des forces différentes. Lorsque les champs lumineux se propageant vers l'avant et vers l'arrière entrent en même temps dans un dispositif tel qu'un résonateur à micro-anneaux (fabriqué à partir d'un matériau non linéaire à base de silicium), la modulation provenant des non-linéarités auto- et croisées de Kerr peut donc provoquer différentes fréquences de résonance pour les modes de circulation vers l'avant et vers l'arrière. Ceux-ci sont normalement désignés comme les modes dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. "Nous avons utilisé cette chiralité pour obtenir une non-réciprocité dynamique dans un système passif composé d'un résonateur à micro-anneaux, de deux guides d'ondes et d'un absorbeur", explique Xia.
Les ondes sonores rompent la réciprocité de transmission de la lumière
"Notre méthode proposée contourne la contrainte fondamentale de réciprocité dynamique imposée à l'optique non linéaire", a-t-il déclaré. Monde de la physique. « Le même concept a été démontré expérimentalement par un autre groupe à l'Université de Stanford pour un isolateur optique sur puce. Notre travail, publié dans Lettres de physique chinoise, ouvre la porte à la réalisation d'isolateurs et de circulateurs optiques sur puce, et augmentera ainsi l'échelle d'intégration et la fonction des puces photoniques.
Les chercheurs testent actuellement leurs dispositifs non réciproques intégrés dans leur laboratoire. Le résonateur micro-anneau appliqué dans cette méthode limite considérablement la bande passante non réciproque disponible à une échelle très étroite, d'environ des centaines de MHz, ils prévoient donc d'améliorer cela et de réduire les pertes dites d'insertion en utilisant uniquement des guides d'ondes optiques non linéaires Kerr. "Une telle nouvelle conception permettrait de nombreuses applications importantes et pratiques d'isolateurs et de circulateurs non linéaires sur puce, car elle peut traiter les informations photoniques plus rapidement et avec une perte de lumière moindre", déclare Xia.
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