Un nuovo metodo per realizzare dispositivi che agiscono come una "strada a senso unico" per la luce è stato sviluppato da ricercatori in Cina e Giappone. La tecnica, che rompe il limite della reciprocità dinamica nei sistemi ottici non lineari, potrebbe essere importante per le applicazioni nell'elaborazione delle informazioni basata sui fotoni.
La reciprocità – o più precisamente la reciprocità di Lorentz – è un principio fondamentale dell'ottica che decreta che i segnali elettromagnetici devono propagarsi liberamente in entrambe le direzioni attraverso una fibra ottica o un circuito elettrico. Un impulso a microonde, ad esempio, può viaggiare in entrambe le direzioni lungo una guida d'onda e un segnale luminoso può spostarsi in entrambe le direzioni lungo una fibra ottica. Questo traffico bidirezionale può causare problemi come il backscattering, che riduce la potenza del segnale trasmesso.
Esistono già alcune tecnologie per evitare la reciprocità. Gli isolatori nei trasmettitori radar a microonde, ad esempio, aggirano la regola di reciprocità utilizzando un ampio campo magnetico esterno per isolare le onde che viaggiano nella direzione riflessa (all'indietro). Tuttavia, i dispositivi impiegati per raggiungere questo obiettivo, chiamati rotori di Faraday, si basano sull'effetto magneto-ottico e quindi richiedono magneti forti e pesanti. Tali magneti sono incompatibili con i chip fotonici e aumentano notevolmente anche il consumo energetico dei circuiti. Sebbene siano stati sviluppati isolatori non magnetici, finora le loro prestazioni sono state scarse.
Non linearità di Kerr
Un modo alternativo per rompere la reciprocità di Lorentz è utilizzare effetti ottici non lineari come la non linearità di Kerr, che si osserva quando la luce ad alta intensità si propaga attraverso un mezzo. La manifestazione più semplice di questo effetto può essere descritta come una variazione dell'indice di rifrazione del mezzo proporzionale all'intensità della luce. Contrariamente agli effetti magneto-ottici, i dispositivi non reciproci che utilizzano tale non linearità ottica sono compatibili con l'integrazione del chip fotonico, spiega Keyu Xia of Università di Nanchino, Nanchino, che ha guidato il nuovo sforzo di ricerca insieme a Franco Nori della Centro di calcolo quantistico RIKEN. La non linearità di Kerr esiste in molti materiali ottici, incluso il silicio, che è ampiamente impiegato nella fotonica.
Durante la progettazione di isolatori e circolatori non lineari, gli scienziati sono abituati a tenere conto della non linearità di Kerr dei materiali individualmente in un circuito o in una guida d'onda, aggiunge Xia. "Questo porta a 'reciprocità dinamica', il che causa un altro problema: un dispositivo di non reciprocità non lineare non può bloccare la retrodiffusione quando i campi di luce che si propagano in avanti e all'indietro entrano nel dispositivo contemporaneamente, imponendo così un vincolo fondamentale sui dispositivi non lineari in modalità Kerr utilizzati come isolatori ottici", spiega .
Xia e colleghi hanno ora dimostrato che un materiale ottico non lineare, come il silicio, può essere utilizzato per superare questo problema e realizzare dispositivi su chip (come isolatori ottici e circolatori) quando si considerano due effetti di non linearità separati. Il primo, noto come effetto self-Kerr, è un effetto di non linearità ottica che produce uno sfasamento proporzionale al quadrato del numero di fotoni nel campo. La seconda, chiamata non linearità cross-Kerr, è un effetto coerente che cambia radicalmente la risposta ottica del mezzo alla luce a frequenze selezionate.
Raggiungere la non reciprocità dinamica
La nuova tecnica funziona perché nella maggior parte dei materiali ottici non lineari, le non linearità auto e cross-Kerr hanno punti di forza diversi. Quando i campi luminosi che si propagano in avanti e all'indietro entrano contemporaneamente in un dispositivo come un risonatore a micro-anelli (realizzato con un materiale non lineare a base di silicio), la modulazione proveniente dalle non linearità di auto e cross-Kerr può quindi causare diverse frequenze di risonanza per le modalità di circolazione avanti e indietro. Questi sono normalmente indicati come modalità in senso orario e antiorario. «Abbiamo sfruttato questa chiralità per ottenere la non reciprocità dinamica in un sistema passivo costituito da un risonatore a micro-anelli, due guide d'onda e un assorbitore», spiega Xia.
Le onde sonore interrompono la reciprocità di trasmissione della luce
"Il nostro metodo proposto aggira il vincolo fondamentale della reciprocità dinamica imposto all'ottica non lineare", dice Mondo della fisica. “Lo stesso concetto è stato dimostrato sperimentalmente da un altro gruppo alla Stanford University per un isolatore ottico su chip. Il nostro lavoro, pubblicato in Lettere cinesi di fisica, apre una porta per la realizzazione di isolatori e circolatori ottici su chip, e quindi aumenterà la scala di integrazione e la funzione dei chip fotonici.
I ricercatori stanno ora testando i loro dispositivi integrati non reciproci nel loro laboratorio. Il risonatore a micro-anello applicato in questo metodo limita fortemente la larghezza di banda non reciproca disponibile a una scala molto stretta, di circa centinaia di MHz, quindi intendono migliorare questo e ridurre le cosiddette perdite di inserzione utilizzando solo guide d'onda ottiche non lineari Kerr. «Un design così nuovo consentirebbe molte applicazioni importanti e pratiche di isolatori e circolatori non lineari su chip perché può elaborare le informazioni fotoniche più velocemente e con una minore perdita di luce», afferma Xia.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/nonlinear-resonator-breaks-dynamic-optical-nonreciprocity/
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