Els sistemes físics amb nivells d'energia discrets, són de naturalesa omnipresent i formen blocs fonamentals de la tecnologia quàntica. S'han demostrat prèviament sistemes similars a l'àtom i molècules artificials per regular la llum per fer possible un control coherent i dinàmic de la freqüència, l'amplitud i la fase dels fotons. En un recent estudi, Mian Zhang i els seus col·legues van dissenyar una molècula fotònica amb dos nivells diferentsd'energia, utilitzant ressonadors d'una micro-xarxa de niobat de liti acoblats que podien controlar-se mitjançant una excitació externa de les microones. La freqüència i la fase de la llum, es podrien operar amb senyals de les microones programades mitjançant sistemes canònics de dos nivells.
Mitjançant un control tan coherent, els científics van mostrar l'emmagatzematge òptic i la seva recuperació, reconfigurant la molècula fotònica en un parell de modes: brillant i fosc. El control dinàmic de la llum en un sistema electro-òptic programable i escalable, obrirà portes per a aplicacions en processos de senyal de microones, portes quàntiques fotòniques en el domini de la freqüència i també, per explorar conceptes de la informàtica òptica i en la física topològica.
Per aconseguir-ho, els científics van crear una molècula fotònica direccionable per microones usant un parell de ressonadors integrats d'una microarxa de niobats de liti, que estaven disposats un prop de l'altre (ràdi 80 μm). Els efectes combinats de baixa pèrdua òptica, una cointegració eficient de les guies d'ona òptiques i els elèctrodes de les microones, permeten la realització simultània d'un n ample de banda elèctric gran (> 30 GHz), una forta eficiència de modulació i una vida prolongada útil (2 ns).
Un anàleg fotònic d'un sistema de dos nivells, normalment pot facilitar la investigació de fenòmens físics complexos en materials electrònics i òptics. Aquests sistemes transmeten funcions importants, incloent un únic emmagatzematge i recuperació de fotons sota demanda, un canvi de freqüència òptica coherent i un processament d'informació quàntica òptica a temperatura ambient. Per al control dinàmic dels sistemes de dos nivells fotònics, els mètodes electro-òptics són ideals per la seva ràpida resposta, programabilitat i possibilitat d'integració a gran escala.
Dispositiu i detall de configuració experimental. a) Imatge de microscopi electrònic d'escaneig (SEM) de la escletxa entre els ressonadors de microring acoblats. b) Secció transversal del perfil del mode òptic en el ressonador d'anell. c) Imatge de microscòpia del dispositiu complet que mostra l'anell doble i els elèctrodes de microones. d) Imatge SEM de la matriu de dispositius de doble anell fabricats en un sol xip.
Font: Nature Photonics, doi: https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Per al control electro-òptic d'un sistema de dos nivells, la vida útil del fotó de cada estat energètic, ha de ser superior al temps necessari perquè el sistema es mogui d'un estat a un altre. Les plataformes fotòniques integrades convencional, fina ara no han complert els requisits de vida simultània i de ràpida modulació d'un fotó. Les plataformes fotòniques elèctricament actives (basades en el silici, el grafè i altres polímers) permeten una ràpida modulació electro-òptica a les freqüències de gigahertz, però tenen vides de fotó més curtes. Tanmateix, la sintonia pura elèctrica encara és molt prematura, ja que els senyals de microones de banda estreta ofereixen un control molt millor amb un mínim soroll i més escalabilitat.
En el seu treball, Zhang et al. va mostrar que la transmissió òptica de la molècula fotònica mesurada mitjançant un làser de longitud d'ona de telecomunicacions, suportava un parell de nivells d'energia òptica ben definits. L'acoblament evanescent de la llum d'un ressonador a un altre es va habilitar a través d'una escletja de 500 nm entre els ressonadors de micro-anells per formar els dos nivells òptics d'energia òptima. Els científics van explorar l'analogia entre un sistema de dos nivells atòmics i fotònics per demostrar el control de la molècula fotònica.
Configuració experimental. El dispositiu està impulsat òpticament mitjançant un làser de telecomunicacions sintonitzable i centrat al voltant de 1630 nm. La llum s'envia a través d'un modulador electro-òptic extern amb controladors de polarització (PLC) abans d'enganxar-se al xip amb una fibra. El senyal de sortida òptic, també acoblat amb una fibra, s'envia a un fotodetector de 12 GHz. El senyal convertit elèctri, es dirigeix a un oscil·loscopi. Els senyals de control de microones són generats per un generador d'ona arbitrària (AWG) i amplificat abans de ser enviat al dispositiu. Un polar T s'utilitza per permetre el control DC en els microrresonadors. S'utilitza un aïllador elèctric per capturar la reflexió elèctrica dels microrresonadors. L'oscil·loscopi, els senyals del dispositiu i els senyals de transmissió del modulador estan sincronitzats.
Font: Nature Photonics, doi: https://doi.org/10.
En els experiments, la llum del làser de longitud d'ona de telecomunicacions sintonitzable, es va enviar a les guies d'ona i es van recollir a través d'un parell de lents de fibres òptiques. Els científics van utilitzar un generador d'ona arbitrària per operar senyals de control de microones abans d'enviar-les a amplificadors elèctrics. L'eficient superposició entre microones i els observats camps òptics en el sistema, permet una major eficiència de la sintonia i la modulació, respecte els observats prèviament amb sistemes electro-òptics convenciaonals. Aquesta conversió coherent entre microones i òptiques pot vincular processos quàntics i memòries electròniques a través de telecomunicacions òptiques de baixa pèrdua, per a aplicacions en futures xarxes d'informació quàntica.
A continuació, es va utilitzar un camp de microones coherent d'ona contínua per controlar un sistema fotònic de dos nivells. En aquest sistema, el nombre de fotons que podrien omplir cadascun dels dos nivells no es limitava a un. La freqüència de divisió del sistema es controlava amb precisió fins a diversos gigahertz controlant l'amplitud dels senyals de microones. L'efecte es va utilitzar per controlar la força efectiva d'acoblament entre els nivells d'energia de la molècula fotònica. Es van investigar dinàmiques espectrals coherents en la molècula fotònica per a una varietat de resistències de microones aplicades al sistema fotònic de dos nivells. Els científics també van descriure l'amplitud controlada i la fase del sistema utilitzant l'oscil lació de Rabi i la interferència de Ramsey.
Guies d'ona fotònica amb microones recobertes. a) Quan la freqüència aplicada de microones s'ajusta a la separació de mode, l'acoblament dissipatiu porta els dos nivells fotònics a dividir en quatre nivells. Aquest efecte és anàleg a la divisió d'Autler-Townes. Quan les microones es detecten lluny de la divisió del mode fotònic, els nivells d'energia fotònica experimenten un efecte dispersiu, el que condueix a un canvi en els nivells fotònics. Aquest efecte és anàleg als canvis de Stark. b) Mitjançant Autler-Townes dividits en la molècula fotònica, on la divisió es pot controlar de manera precisa per l'amplitud del senyal de microones aplicat. c) Desplaçaments ac fotònics de mesurament Stark per a un senyal de microones a 4,5 GHz.
Font: Nature Photonics, doi: https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
El treball permet l'escriptura i la lectura controlada de la llum en un ressonador, com una guia d'ones externa pot aconseguir l'emmagatzematge i recuperació de fotons sota demanda, el que és una tasca crítica per al processament de senyals òptiques. Per facilitar-ho de forma experimental, Zhang et al. van aplicar una gran tensió de polarització de corrent continu (15 V) per reconfigurar el sistema de doble anell en un parell de modes (brillants i foscos). A la configuració, el mode localitzat en el primer anell va proporcionar accés a les guies d'ona òptiques i es va convertir en òpticament brillant (mode brillant). L'altre mode es va localitzar al segon anell que es va desacoblar geomètricament des de la guia d'ona òptica d'entrada fins a convertir-se en òpticament fosc. En conseqüència, els científics van demostrar un control coherent i dinàmic d'una molècula fotònica de dos nivells amb camps de microones i el seu emmagatzematge/recuperació de fotons sota demanda a través d'experiments meticulosos en l'estudi. El treball obre un camí cap a una nova forma de control sobre els fotons. Els resultats són un pas inicial amb aplicacions potencialment immediates en processament de senyals i la fotònica quàntica.
Emmagatzematge sota demanda i recuperació de llum mitjançant un mode fotònic fosc. a) La molècula fotònica està programada per donar lloc a modes localitzats brillants i foscos. Com a resultat, es pot accedir al mode brillant des de la guia d'ona òptica, mentre que el mode fosc no pot (es prohibeix per la geometria). b) Un camp de microones aplicat al sistema pot induir un acoblament efectiu entre els modes brillant i fosc, indicat per l'encreuament evitat en l'espectre de transmissió òptica. c) La llum es pot emmagatzemar i recuperar mitjançant el parell de mode brillant-fosc i el control de microones. Es pot aplicar un pols de microones per transferir la llum del mode brillant a la foscor. A mesura que el microones no està actiu, la llum queda restringida de qualsevol acoblament d'ona de guia externa. Després d'un cert temps desitjat d'emmagatzematge, un segon pols de microones obté la llum des de la foscor fins al mode brillant. γ, γi i γex són les vides del mode òptic brillant, l'amortiment intrínsec i la taxa d'acoblament de guia d'ona, respectivament. d) La llum recuperada del mode fosc mesurat en diferents retards de temps, mostrats per les restes de dalt a baix amb un increment de retard de 0,5 ns. Inserció: la intensitat extreta de la llum recuperada mostra gairebé el doble de vida del mode brillant acoblat críticament. Les barres d'error mostren la incertesa en la lectura d'intensitat òptica. MW, microones; NT, transmissió normalitzada; au, unitats arbitràries. Font: Nature Photonics, doi: https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Els paràmetres de disseny dels ressonadors acoblats, proporcionen un espai per investigar el control dinàmic dels sistemes fotònics de dos nivells i de diversos nivells, donant lloc a una nova classe de tecnologies fotòniques. Els científics preveuen que aquestes troballes donaran lloc a avenços en la fotònica topològica, els conceptes avançats de computació fotònica i els sistemes quàntics-òptics basats en freqüència en xip en un futur pròxim.
Font: Science X Network
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada