빛의 "일방통행로" 역할을 하는 장치를 만드는 새로운 방법이 중국과 일본의 연구원들에 의해 개발되었습니다. 비선형 광학 시스템에서 동적 상호성의 한계를 깨는 기술은 광자 기반 정보 처리 응용 분야에 중요할 수 있습니다.
상호성 또는 보다 정확하게는 로렌츠 상호성(Lorentz reciprocity)은 전자기 신호가 광섬유 또는 전기 회로를 통해 양방향으로 자유롭게 전파되어야 한다고 결정하는 광학의 기본 원리입니다. 예를 들어 마이크로파 펄스는 도파관을 따라 양방향으로 이동할 수 있고 광 신호는 광섬유를 따라 양방향으로 이동할 수 있습니다. 이 양방향 트래픽은 전송된 신호의 강도를 감소시키는 후방 산란과 같은 문제를 일으킬 수 있습니다.
호혜성을 피하기 위한 일부 기술은 이미 존재합니다. 예를 들어 레이더 마이크로파 송신기의 아이솔레이터는 큰 외부 자기장을 사용하여 반사(역방향) 방향으로 이동하는 파동을 격리함으로써 상호성 규칙을 우회합니다. 그러나 이를 달성하기 위해 사용되는 패러데이 회전자라고 하는 장치는 자기 광학 효과에 의존하므로 강력하고 무거운 자석이 필요합니다. 이러한 자석은 광자 칩과 호환되지 않으며 회로의 전력 소비도 상당히 증가시킵니다. 비자성 아이솔레이터가 개발되었지만 지금까지 성능이 좋지 않았습니다.
커 비선형성
Lorentz 상반성을 깨는 또 다른 방법은 Kerr 비선형성과 같은 광학적 비선형 효과를 사용하는 것인데, 이는 고강도 빛이 매질을 통해 전파될 때 관찰됩니다. 이 효과의 가장 간단한 표현은 빛의 강도에 비례하는 매질의 굴절률 변화로 설명할 수 있습니다. 광자기 효과와 달리 이러한 광학적 비선형성을 이용하는 비가역 소자는 광자 칩 통합과 호환된다고 설명합니다. 케유 샤 of 난징 대학교, 난징, 함께 새로운 연구 노력을 주도 프랑코 노리 의 RIKEN 양자 컴퓨팅 센터. Kerr 비선형성은 포토닉스에 널리 사용되는 실리콘을 비롯한 많은 광학 재료에 존재합니다.
비선형 아이솔레이터와 서큘레이터를 설계할 때 과학자들은 회로나 도파관에서 개별적으로 재료의 Kerr 비선형성을 고려하는 데 익숙하다고 Xia는 덧붙입니다. “이것은 '동적 상호성'이는 또 다른 문제를 야기합니다. 비선형 비가역성 장치는 전방 및 후방 전파 라이트 필드가 동시에 장치에 들어갈 때 후방 산란을 차단할 수 없으므로 광학 절연체로 사용되는 Kerr 모드 비선형 장치에 근본적인 제약을 부과합니다.”라고 그는 설명합니다. .
Xia와 동료들은 이제 실리콘과 같은 비선형 광학 재료를 사용하여 이 문제를 극복하고 두 개의 개별 비선형성 효과를 고려할 때 온칩 장치(예: 광 절연체 및 서큘레이터)를 만들 수 있음을 보여주었습니다. self-Kerr 효과로 알려진 첫 번째 효과는 필드의 광자 수의 제곱에 비례하는 위상 편이를 생성하는 광학적 비선형성 효과입니다. 교차-Kerr 비선형성이라고 하는 두 번째는 선택된 주파수에서 빛에 대한 매질의 광학적 반응을 극적으로 변화시키는 일관성 있는 효과입니다.
동적 비호혜성 달성
새로운 기술은 대부분의 광학 비선형 재료에서 자체 및 교차 Kerr 비선형성이 서로 다른 강도를 갖기 때문에 작동합니다. 순방향 및 역방향 전파 라이트 필드가 마이크로 링 공진기(실리콘 기반 비선형 재료로 제작)와 같은 장치에 동시에 들어갈 때 자체 및 교차 커 비선형성에서 오는 변조는 따라서 원인이 될 수 있습니다. 순방향 및 역방향 순환 모드에 대해 서로 다른 공진 주파수. 이들은 일반적으로 시계 방향 및 시계 반대 방향 모드로 표시됩니다. "우리는 마이크로 링 공진기, 두 개의 도파관 및 흡수체로 구성된 수동 시스템에서 동적 비가역성을 달성하기 위해 이 키랄성을 사용했습니다."라고 Xia는 설명합니다.
음파는 광 전송 상호성을 깨뜨립니다.
"우리가 제안한 방법은 비선형 광학에 부과된 동적 상호성의 근본적인 제약을 우회합니다."라고 그는 말합니다. 물리 세계. "동일한 개념이 실험적으로 입증되었습니다. 스탠포드 대학의 또 다른 그룹 온칩 광 아이솔레이터용. 에 게시된 우리의 작업 중국어 물리학 문자, 온칩 광 아이솔레이터 및 서큘레이터 실현을 위한 문을 열어 포토닉 칩의 집적 규모와 기능을 향상시킬 것입니다.”
연구원들은 현재 연구실에서 통합된 비가역 장치를 테스트하고 있습니다. 이 방법에 적용된 마이크로 링 공진기는 가용한 비가역 대역폭을 수백 MHz 정도의 매우 좁은 범위로 심각하게 제한하므로 이를 개선하고 Kerr-비선형 광 도파관만 사용하여 소위 삽입 손실을 줄일 계획입니다. Xia는 "이러한 새로운 설계는 광 정보를 더 빠르게 처리하고 광 손실을 줄일 수 있기 때문에 온칩 비선형 아이솔레이터 및 서큘레이터의 많은 중요하고 실용적인 애플리케이션을 허용할 것"이라고 말했습니다.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/nonlinear-resonator-breaks-dynamic-optical-nonreciprocity/
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