中国和日本的研究人员已经开发出一种新方法来制造像光的“单行道”一样的设备。 该技术打破了非线性光学系统中动态互易性的限制,对于基于光子的信息处理应用具有重要意义。
互易性——或者更准确地说,洛伦兹互易性——是光学的一个基本原理,它规定电磁信号必须通过光纤或电路在两个方向上自由传播。 例如,微波脉冲可以沿波导沿任一方向传播,而光信号可以沿光纤双向传播。 这种双向通信会导致反向散射等问题,从而降低传输信号的强度。
一些避免互惠的技术已经存在。 例如,雷达微波发射器中的隔离器通过使用大的外部磁场隔离沿反射(向后)方向传播的波来绕过互易规则。 然而,用于实现此目的的设备称为法拉第转子,它依赖于磁光效应,因此需要强而重的磁铁。 这种磁铁与光子芯片不兼容,而且它们还会大大增加电路的功耗。 虽然已经开发出非磁性隔离器,但迄今为止它们的性能一直很差。
克尔非线性
打破洛伦兹互易性的另一种方法是使用光学非线性效应,例如克尔非线性,当高强度光在介质中传播时会观察到这种效应。 这种效应的最简单表现可以描述为与光强度成正比的介质折射率的变化。 与磁光效应相反,使用这种光学非线性的不可逆器件与光子芯片集成兼容,解释说 可雨霞 of 南京大学,南京,谁领导了新的研究工作与 佛朗哥·诺里(Franco Nori) 的 理研量子计算中心. 克尔非线性存在于许多光学材料中,包括在光子学中广泛应用的硅。
Xia 补充说,在设计非线性隔离器和环行器时,科学家们习惯于单独考虑电路或波导中材料的克尔非线性。 “这导致 “动态互惠”,这导致了另一个问题:当向前和向后传播的光场同时进入设备时,非线性非互易性设备无法阻止反向散射,因此对用作光隔离器的克尔模式非线性设备施加了基本限制,”他解释道.
Xia 和他的同事现在已经表明,当考虑两个独立的非线性效应时,可以使用非线性光学材料(例如硅)来克服这个问题并制造片上器件(例如光隔离器和环行器)。 第一种称为自克尔效应,是一种光学非线性效应,它产生的相移与场中光子数的平方成正比。 第二种称为交叉克尔非线性,是一种相干效应,可显着改变介质对选定频率光的光学响应。
实现动态非互易性
这项新技术之所以有效,是因为在大多数光学非线性材料中,自克尔非线性和交叉克尔非线性具有不同的强度。 当向前和向后传播的光场同时进入微环形谐振器(由硅基非线性材料制成)等设备时,来自自克尔非线性和交叉克尔非线性的调制因此会导致前向和后向循环模式的不同共振频率。 这些通常表示为顺时针和逆时针模式。 “我们利用这种手性在一个由微环谐振器、两个波导和一个吸收器组成的无源系统中实现了动态非互易性,”夏解释说。
声波打破光传输互易性
“我们提出的方法绕过了对非线性光学施加的动态互易性的基本约束,”他说 物理世界. “同样的概念已经通过实验证明 斯坦福大学的另一个小组 用于片上光隔离器。 我们的工作,发表于 中国物理快报,为实现片上光隔离器和环行器打开了一扇大门,从而将推动光子芯片的集成规模和功能。”
研究人员现在正在他们的实验室中测试他们的集成非互易设备。 该方法中应用的微环谐振器将可用不可逆带宽严重限制在非常窄的范围内,大约数百 MHz,因此他们计划通过仅使用克尔非线性光波导来改进这一点并减少所谓的插入损耗。 “这种新设计将允许片上非线性隔离器和环行器的许多重要和实际应用,因为它可以更快地处理光子信息并且光损失更低,”Xia 说。
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- Sumber: https://physicsworld.com/a/nonlinear-resonator-breaks-dynamic-optical-nonreciprocity/
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