Laserkaviteter får nye former og funktioner

Forskere har demonstreret det første laserhulrum, der kan begrænse og sprede lys i enhver tænkelig form, selv stier med skarpe bøjninger og vinkler. Det nye hulrum, kaldet et topologisk hulrum, kunne gøre det muligt at pakke laserkomponenter tættere på en chip, hvilket fører til optiske kommunikationsteknologier med højere hastighed, der kan fremstilles på en effektiv og skalerbar måde ved hjælp af fotoniske integrationsteknikker.

Denne artikel vil blive offentliggjort online af tidsskriftet Videnskab på torsdag, 12. oktober, 2017.

"Vores mål er at overvinde de fundamentale begrænsninger for optiske enheder og afdække nye fysiske principper, der kan muliggøre det, man tidligere troede var umuligt, "sagde Boubacar Kanté, en professor i el- og computerteknik ved UC San Diego og undersøgelsens seniorforfatter.

I de fleste konventionelle lasere, laserhulrummet skal have en regelmæssig buet form, typisk en ring, for at lysbølger kan forplante sig og blive i hulrummet. Hvis hulrummet har en skarp drejning, noget af det lys bliver spredt og tabt. Det er derfor, for eksempel, optiske fibre kan ikke have knæk eller bøjninger.

"Når du ændrer hulrummets form, du ændrer måden, hvorpå lyset er begrænset i det hulrum, "sagde Babak Bahari, en elektroteknik ph.d. studerende ved UC San Diego og den første forfatter af papiret.

Ikke at kunne ændre hulformen begrænser også, hvor mange komponenter der kan integreres i en fotonisk chip. "Hvis vi kan deformere hulrummets form, vi kan nemt passe det i ethvert område på en chip uden at forstyrre eller flytte andre komponenter. Dette ville give os mere frihed til at designe chipkomponenter og gøre tættere, mere kraftfulde enheder, "Sagde Kanté.

Nu, Kanté, Bahari og kolleger har introduceret en måde at lave laserhulrum af vilkårlige former uden at ændre deres egenskaber.

De skabte en struktur bestående af to fotoniske krystaller, den ene omgiver omkredsen af ​​den anden. Krystallen på indersiden er dyrket af de samme materialer som krystallen, der omgiver den, men de er det, der er kendt som topologisk forskellige - de kan beskrives som forskellige huller, som en bagel (et hul) versus en kringle (tre huller). Krystallerne udviser også en egenskab, hvor de begge kan lede den samme bølgelængde af lys på ydersiden, mens de fungerer som isolatorer på indersiden. Ved at sætte disse krystaller sammen, forskere skabte et hulrum, hvor lysbølger kan forplante sig ved grænsefladen mellem krystallerne.

Forskerne kalder dette et topologisk hulrum. Det er ikke et rum, men grænsen, hvor to topologisk forskellige materialer mødes, Kanté påpegede. Dette hulrum kan have enhver form - trekant, firkant, en sløjfe med hakkede kanter - og lys kan cirkulere inden for denne form uden at blive spredt.

For at demonstrere deres enheds laserkapacitet, forskere koblede først en bølgeleder til hulrummet. Derefter energiserede de krystallerne med lys fra en højeffektlaser og påførte et magnetfelt. Ved hjælp af et infrarødt kamera, de observerede deres enhed udsende en lavere frekvens laserstråle ved 1,55 mikrometer, en fælles bølgelængde for telekommunikation.

En anden bemærkelsesværdig funktion er, at denne enhed har en ikke-gensidig lasertilstand, hvilket betyder, at laserstrålen kun kan rejse én vej. Dette er ikke tilfældet med de fleste eksisterende lasere, som har brug for en anordning kaldet en isolator for at blive placeret foran kilden og forhindre laserstrålen i at komme tilbage og potentielt ødelægge hulrummet. Isolatorer er normalt store enheder, og det nye arbejde kan dermed eliminere behovet for dem i fremtiden, Sagde Kanté.

"Denne nye funktion gør det muligt for os at lave en laser, der er selvbeskyttet, "Sagde Bahari.

Bevæger sig fremad, teamet håber at oprette en elektrisk drevet enhed, hvilket ville gøre det mere praktisk. Kanté planlægger også at udforske den grundlæggende fysik i topologiske hulrum yderligere. Han er især interesseret i at undersøge, hvor tæt sådanne hulrum kan pakkes på en chip. Disse undersøgelser kan være vigtige for kvanteinformationsbehandling og kunne overvinde grundlæggende effektivitetsgrænser for nuværende systemer, han sagde.