Brug af optisk kaos til at kontrollere lysets momentum

Integrerede fotoniske kredsløb, som er afhængige af lys frem for elektroner til at flytte information, lover at revolutionere kommunikationen, sansning og databehandling. Men at kontrollere og flytte lys giver alvorlige udfordringer. En stor forhindring er, at lys bevæger sig med forskellige hastigheder og i forskellige faser i forskellige komponenter i et integreret kredsløb. For at lys kan kobles mellem optiske komponenter, det skal bevæge sig med samme momentum.

Nu, et team af forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, i samarbejde med Peking Universitet i Beijing, har demonstreret en ny måde at kontrollere impulsen af ​​bredbåndslys i en udbredt optisk komponent kendt som et hviskende galleri mikrohulrum (WGM).

Papiret, hvis medforfattere også omfatter forskere fra Washington University i Saint Louis, California Institute of Technology, og universitetet i Magdeburg, er udgivet i Videnskab .

"Det optiske bredbåndskaos i mikrokavitet skaber et universelt værktøj til at få adgang til mange optiske tilstande, " sagde Linbo Shao, en kandidatstuderende i laboratoriet hos Marko Loncar, Tiantsai Lin professor i elektroteknik, på SEAS og medførsteforfatter af papiret. "Tidligere forskere har brug for flere specielle optiske elementer til at koble lys ind og ud af WGM'er ved forskellige bølgelængder, men ved dette arbejde kan vi koble alle farvelys med en enkelt optisk kobler."

En WGM er en type optisk mikroresonator, der bruges i en lang række applikationer, fra langdistancetransmission i optiske fibre til kvanteberegning. WGMs er opkaldt efter de hviskende gallerier i St. Paul's Cathedral i London, hvor en akustisk bølge (en hvisken) cirkulerer inde i et hulrum (kuplen) fra en højttaler på den ene side til en lytter på den anden. Det lignende fænomen forekommer i Echo Wall i Temple of Heaven i Kina og i den hviskende bue i Grand Central Station i New York City.

Optiske hviskegallerier fungerer meget på samme måde. Lysbølger fanget i en meget begrænset, cirkulært rum - mindre end et hårstrå - kredser om indersiden af ​​hulrummet. Som den hviskende væg, hulrummet fanger og bærer bølgen.

Imidlertid, det er svært at koble de optiske felter fra bølgeledere til de optiske felter i hviskende gallerier i fotoniske kredsløb, fordi bølgerne bevæger sig med forskellige hastigheder.

Tænk på en WGM som en motorvejsrundkørsel og optiske felter som UPS-lastbiler. Nu, forestil dig at prøve at overføre en pakke mellem to lastbiler, mens begge kører med forskellig hastighed. Umulig, ret?

For at løse denne forskel i momentum – uden at bryde Newtons lov om bevarelse af momentum – skabte forskerholdet lidt kaos. Ved at deformere formen af ​​den optiske mikroresonator, forskerne var i stand til at skabe og udnytte såkaldte kaotiske kanaler, hvor lysets vinkelmomentum ikke bevares og kan ændre sig over tid. Ved at skifte formen på resonatoren, momentum kan indstilles; resonatoren kan designes til at matche momentum mellem bølgeledere og WGM'er. Vigtigt, koblingen er bredbånd og sker mellem optiske tilstande, som ellers ikke ville kobles.

Forskningen giver nye applikationer til mikrohulrumsoptik og fotonik i optisk kvantebehandling, optisk lagring og mere.

"Værket illustrerer en fundamentalt anderledes tilgang til at undersøge denne vigtige klasse af mikroresonatorer, mens den også afslører smuk fysik relateret til emnet optisk kaos, " sagde Kerry Vahala, Ted og Ginger Jenkins professor i informationsvidenskab og teknologi og professor i anvendt fysik ved Cal Tech, som ikke var involveret i denne undersøgelse.

Næste, holdet vil udforske fysikken bag optisk kaos i andre optiske platforme og materialer, herunder fotoniske krystaller og diamanter.