Um novo método para fabricar dispositivos que funcionam como uma “rua de mão única” para a luz foi desenvolvido por pesquisadores da China e do Japão. A técnica, que quebra o limite da reciprocidade dinâmica em sistemas ópticos não lineares, pode ser importante para aplicações em processamento de informações baseadas em fótons.
A reciprocidade – ou mais precisamente, a reciprocidade de Lorentz – é um princípio fundamental da ótica que decreta que os sinais eletromagnéticos devem se propagar livremente em ambas as direções através de uma fibra ótica ou circuito elétrico. Um pulso de micro-ondas, por exemplo, pode viajar em qualquer direção ao longo de um guia de ondas e um sinal de luz pode se mover em ambas as direções ao longo de uma fibra óptica. Esse tráfego bidirecional pode causar problemas como retroespalhamento, que reduz a intensidade do sinal transmitido.
Já existem algumas tecnologias para evitar a reciprocidade. Isoladores em transmissores de microondas por radar, por exemplo, contornam a regra de reciprocidade usando um grande campo magnético externo para isolar as ondas que viajam na direção refletida (para trás). No entanto, os dispositivos empregados para conseguir isso, chamados de rotores de Faraday, dependem do efeito magneto-óptico e, portanto, requerem ímãs fortes e pesados. Esses ímãs são incompatíveis com os chips fotônicos e também aumentam consideravelmente o consumo de energia dos circuitos. Embora isoladores não magnéticos tenham sido desenvolvidos, seu desempenho tem sido ruim até agora.
Não linearidade de Kerr
Uma maneira alternativa de quebrar a reciprocidade de Lorentz é usar efeitos ópticos não lineares, como a não linearidade de Kerr, que é observada quando a luz de alta intensidade se propaga através de um meio. A manifestação mais simples desse efeito pode ser descrita como uma mudança no índice de refração do meio que é proporcional à intensidade da luz. Em contraste com os efeitos magneto-ópticos, os dispositivos não recíprocos que usam essa não linearidade óptica são compatíveis com a integração do chip fotônico, explica Keyu Xia of Universidade de Nanjing, Nanjing, que liderou o novo esforço de pesquisa junto com Franco Nori da Centro de Computação Quântica RIKEN. A não linearidade de Kerr existe em muitos materiais ópticos, incluindo o silício, amplamente empregado na fotônica.
Ao projetar isoladores e circuladores não lineares, os cientistas estão acostumados a levar em conta a não linearidade Kerr dos materiais individualmente em um circuito ou guia de ondas, acrescenta Xia. "Isto leva a 'reciprocidade dinâmica', o que causa outro problema: um dispositivo de não reciprocidade não linear não pode bloquear o retroespalhamento quando os campos de luz de propagação para frente e para trás entram no dispositivo ao mesmo tempo, impondo assim uma restrição fundamental aos dispositivos não lineares de modo Kerr usados como isoladores ópticos”, explica ele .
Xia e seus colegas mostraram agora que um material óptico não linear, como o silício, pode ser usado para superar esse problema e fazer dispositivos no chip (como isoladores ópticos e circuladores) quando dois efeitos de não linearidade separados são considerados. O primeiro, conhecido como efeito de auto-Kerr, é um efeito de não linearidade óptica que produz uma mudança de fase proporcional ao quadrado do número de fótons no campo. A segunda, denominada não linearidade cruzada de Kerr, é um efeito coerente que altera drasticamente a resposta óptica do meio à luz em frequências selecionadas.
Alcançando a não reciprocidade dinâmica
A nova técnica funciona porque, na maioria dos materiais ópticos não lineares, as não linearidades auto e cruzada de Kerr têm forças diferentes. Quando os campos de luz de propagação para frente e para trás entram em um dispositivo como um ressonador de micro-anel (feito de um material não linear à base de silício) ao mesmo tempo, a modulação proveniente das não linearidades auto e cruzada de Kerr pode, portanto, causar frequências de ressonância diferentes para os modos de circulação direta e inversa. Estes são normalmente indicados como os modos horário e anti-horário. “Usamos essa quiralidade para alcançar a não reciprocidade dinâmica em um sistema passivo que consiste em um ressonador de microanel, dois guias de onda e um absorvedor”, explica Xia.
As ondas sonoras quebram a reciprocidade da transmissão de luz
“Nosso método proposto ignora a restrição fundamental da reciprocidade dinâmica imposta à óptica não linear”, diz ele Mundo da física. “O mesmo conceito foi demonstrado experimentalmente por outro grupo na Universidade de Stanford para um isolador óptico on-chip. Nosso trabalho, publicado em Letras de Física Chinesa, abre uma porta para a realização de isoladores e circuladores ópticos no chip e, assim, aumentará a escala de integração e a função dos chips fotônicos.”
Os pesquisadores agora estão testando seus dispositivos não recíprocos integrados em seu laboratório. O ressonador de microanel aplicado neste método limita severamente a largura de banda não recíproca disponível a uma escala muito estreita, de cerca de centenas de MHz, então eles planejam melhorar isso e reduzir as chamadas perdas de inserção usando apenas guias de onda ópticos não lineares de Kerr. “Esse novo design permitiria muitas aplicações práticas e importantes de isoladores e circuladores não lineares no chip, porque pode processar informações fotônicas mais rapidamente e com menor perda de luz”, diz Xia.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/nonlinear-resonator-breaks-dynamic-optical-nonreciprocity/
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