Opnå næsten perfekt optisk isolation ved hjælp af opto-mekanisk gennemsigtighed

Forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign har demonstreret et nyt niveau af optisk isolering, der er nødvendig for at fremme optisk signalbehandling på chip. Teknikken, der involverer lys-lyd-interaktion, kan implementeres i næsten enhver fotonisk støberi og kan påvirke optiske computere og kommunikationssystemer betydeligt.

"Optiske isolatorer med lavt tab er kritiske komponenter til signal routing og beskyttelse, men deres chip-skala integration i fotoniske kredsløb er endnu ikke praktisk. Isolatorer fungerer som optiske dioder ved at lade lys passere en vej, mens det blokerer det i den modsatte retning, "forklarede Gaurav Bahl, en assisterende professor i mekanisk videnskab og teknik i Illinois. "I dette studie, vi demonstrerede, at fuldstændig optisk isolation kan opnås inden for enhver dielektrisk bølgeleder ved hjælp af en meget enkel tilgang, og uden brug af magneter eller magnetiske materialer. "

Nøgleegenskaberne ved ideelle optiske isolatorer er, at de skal tillade lys uden tab på én måde, mens det absorberer lys perfekt i den modsatte retning, dvs. betingelsen for 'fuldstændig' isolation. Ideelle isolatorer bør også have en bred båndbredde og skal være lineære, dvs. den optiske signalbølgelængde ændres ikke gennem enheden, og egenskaberne er uafhængige af signalstyrken. Den bedste metode, til dato, for at opnå isolation med disse egenskaber har været gennem den magneto-optiske Faraday-rotationseffekt, der forekommer i specielle gyrotropiske materialer, f.eks. granatkrystaller. Desværre, denne teknik har vist sig udfordrende at implementere i chipon-skala fotonik på grund af fabrikationskompleksitet, vanskeligt ved lokalt begrænsende magnetfelter, og betydelige materielle tab. I lyset af denne udfordring, flere ikke-magnetiske alternativer til at bryde gensidighed er blevet undersøgt både teoretisk og eksperimentelt.

I en tidligere undersøgelse, Bahls forskerhold demonstrerede eksperimentelt, for første gang, fænomenet Brillouin Scattering Induced Transparency (BSIT), hvor lys-lydkobling kan bruges til at bremse, fremskynde, og blokere lys i en optisk bølgeleder.

"Det mest betydningsfulde aspekt ved denne opdagelse er iagttagelsen af, at BSIT er et ikke-gensidigt fænomen-gennemsigtigheden genereres kun på den ene måde. I den anden retning, systemet absorberer stadig lys, "Sagde Bahl." Denne ikke-gensidige adfærd kan udnyttes til at bygge isolatorer og cirkulatorer, der er uundværlige værktøjer i en optisk designers værktøjskasse. "

"I dette arbejde, vi demonstrerer eksperimentelt fuldstændig lineær optisk isolation i et bølgeleder-resonatorsystem, der udelukkende består af silicaglas, ved at skubbe BSIT -interaktionen ind i det stærke koblingsregime, og sondering af optisk transmission gennem bølgelederen i retning fremad og bagud samtidigt, "sagde JunHwan Kim, en kandidatstuderende og første forfatter af papiret, "Komplet lineær optisk isolation i mikroskalaen med ultralavt tab, "vises i Videnskabelige rapporter .

"Eksperimentelt, vi har demonstreret en lineær isolator, der er i stand til at generere en rekordstor 78,6 dB kontrast for kun 1 dB fremadrettet indsættelsestab inden for isolationsbåndet, "Tilføjede J. Kim." Det betyder, at lys, der formerer sig baglæns, er næsten 100 millioner gange stærkere undertrykt end lys i retning fremad. Vi demonstrerer også den dynamiske optiske rekonstruktion af isolationsretningen. "

"I øjeblikket er effekten påvist i en snæver båndbredde. I fremtiden vil en større båndbreddeisolering kan også nås, hvis bølgelederen og resonatoren er integreret på chippen, da de resterende mekaniske problemer kan elimineres, og de interagerende tilstande kan designes præcist, "Sagde Bahl." Opnå fuldstændig lineær optisk isolation gennem opto-mekaniske interaktioner som BSIT, der forekommer i alle medier, uanset krystallinitet eller amorficitet, materiale bånd struktur, magnetisk bias, eller tilstedeværelse af gevinst, sikrer, at teknikken kunne implementeres med næsten ethvert optisk materiale i næsten ethvert kommercielt fotonisk støberi. "

Da den undgår magnetfelter eller radiofrekvente drivende felter, denne fremgangsmåde er særlig attraktiv for chip-skala kolde atommikrosystemteknologier, til både isolering og lukker af optiske signaler, og on-chip laserbeskyttelse uden tab.