Elektronisk programmerbart fotonisk molekyle

Mikrobølge-styret fotonisk molekyle. a) Det fotoniske molekyle realiseres af et par identisk koblede optiske mikroresonatorer (resonansfrekvens ω1 =ω2). Systemet har to forskellige energiniveauer - en symmetrisk og en antisymmetrisk optisk tilstand (angivet her med blå/blå skygge for den symmetriske og rød/blå for den antisymmetriske tilstand), der er rumligt ude af fase med π. Mikrobølgefeltet kan interagere sammenhængende med to-niveausystemet gennem den stærke Pockels-effekt (χ (2)) af lithiumniobat. b) Falskfarvet scanningselektronmikroskopbillede af de koblede mikrorøringsresonatorer. c) Målt transmissionsspektrum for det fotoniske system på to niveauer. De to optiske tilstande adskilles med 2μ =2π × 7 GHz med linewidths på γ =2π × 96 MHz svarende til en indlæst optisk kvalitetsfaktor på 1,9 × 106. d) De resulterende transmissionsspektre fra et anvendt d.c. feltet viser en antikrydsningskurve på grund af den begrænsede optiske kobling mellem de to ringe, som er analog med d.c. Stark effekt i et kanonisk system på to niveauer. NT, normaliseret transmission. Kredit:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y

Fysiske systemer med diskrete energiniveauer er allestedsnærværende i naturen og danner grundlæggende byggesten i kvanteteknologi. Kunstige atomlignende og molekylelignende systemer blev tidligere demonstreret for at regulere lys for sammenhængende og dynamisk styring af frekvensen, amplitude og fotonen. I en nylig undersøgelse, Mian Zhang og kolleger konstruerede et fotonisk molekyle med to forskellige energiniveauer, ved hjælp af koblede lithiumniobat-mikro-ringresonatorer, der kunne styres via ekstern mikrobølge-excitation. Lysets frekvens og fase kan præcist betjenes af programmerede mikrobølgesignaler ved hjælp af kanoniske to-niveau systemer til at omfatte Autler-Townes opdeling, Stark skift, Rabi -oscillation og Ramsey -interferensfænomener i undersøgelsen. Gennem en sådan sammenhængende kontrol, forskerne viste on-demand optisk lagring og hentning ved at omkonfigurere det fotoniske molekyle til et lys-mørkt tilstandspar. Den dynamiske lysstyring i et programmerbart og skalerbart elektrooptisk system åbner døre til applikationer inden for mikrobølgesignalbehandling, kvantefotoniske porte i frekvensområdet og til at udforske begreber inden for optisk computing såvel som i topologisk fysik.

Resultaterne er nu offentliggjort den Natur fotonik , hvor Zhang et al. overvandt den eksisterende performance-afvejning, at realisere et programmerbart fotonisk to-niveau system, der kan styres dynamisk via gigahertz mikrobølgesignaler. For at opnå dette, forskerne skabte et mikrobølge adresserbart fotonisk molekyle ved hjælp af et par integrerede litiumniobat-mikro-ringresonatorer mønstret tæt på hinanden (radius 80 um). De kombinerede virkninger af lavt optisk tab, effektiv samintegration af optiske bølgeledere og mikrobølgeelektroder muliggjorde samtidig realisering af en stor elektrisk båndbredde (> 30 GHz), stærk moduleringseffektivitet og lang fotonlevetid (~ 2 ns).

En fotonisk analog af et system på to niveauer kan typisk lette undersøgelsen af komplekse fysiske fænomener i materialer, elektronik og optik. Sådanne systemer overfører vigtige funktioner, herunder unik on-demand fotonlagring og hentning, kohærent optisk frekvensskift og optisk kvanteinformationsbehandling ved stuetemperatur. Til dynamisk styring af fotoniske to-niveau systemer, elektrooptiske metoder er ideelt egnet på grund af deres hurtige respons, programmerbarhed og mulighed for storstilet integration.

Enheds- og eksperimentel opsætningsdetaljer. a) Scanning elektronmikroskop (SEM) billede af mellemrummet mellem de koblede microring resonatorer. b) Tværsnit af den optiske tilstandsprofil i ringresonatoren. c) Mikroringsbillede af den fulde enhed, der viser dobbeltringen og mikrobølgeelektroder. d) SEM -billede af arrayet med dobbeltring -enheder fremstillet på en enkelt chip. Kredit:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y

Til elektro-optisk styring af et system på to niveauer, fotonens levetid for hver energitilstand skal være længere end den tid, der kræves for at systemet kan drives fra den ene tilstand til den anden. Konventionelle integrerede fotoniske platforme har ikke opfyldt kravene til en samtidig lang fotonisk levetid og hurtig modulering hidtil. Elektrisk aktive fotoniske platforme (baseret på silicium, grafen og andre polymerer), muliggøre hurtig elektrooptisk modulering ved gigahertz-frekvenser, men lider af kortere fotonlevetid. Imidlertid, ren elektrisk tuning er stadig yderst ønskelig, da smalbånds mikrobølgesignaler giver meget bedre kontrol med minimal støj og skalerbarhed.

I deres arbejde, Zhang et al. viste, at optisk transmission af det fotoniske molekyle målt ved hjælp af en telekommunikationsbølgelængde laser, understøttede et par veldefinerede optiske energiniveauer. Den flygtige kobling af lys fra en resonator til en anden blev muliggjort gennem et 500 nm mellemrum mellem mikro-ringresonatorerne for at danne de to godt opløste optiske energiniveauer. Forskerne undersøgte analogien mellem et atomisk og fotonisk system på to niveauer for at demonstrere kontrol over det fotoniske molekyle.

Udvidet eksperimentel opsætning. Enheden pumpes optisk af en afstembar telelaser centreret omkring 1630 nm. Lyset sendes gennem en ekstern elektro-optisk modulator og polarisationsregulatorer (PLC), før den kobles ind i chippen med en linset fiber. Det optiske optiske signal, også koblet med en objektiv med fiber sendes til en 12 GHz fotodetektor. Det konverterede elektriske signal ledes til et oscilloskop. Mikrobølgsstyringssignalerne genereres af en vilkårlig bølgegenerator (AWG) og forstærkes, før de sendes ind i enheden. En bias T bruges til at tillade DC -kontrol på mikroresonatorerne. En elektrisk isolator bruges til at fange den elektriske refleksion fra mikroresonatorerne. Oscilloskopet, enhedsdrevsignaler og modulator -drevsignaler er alle synkroniseret. Kredit:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y

I forsøgene, lys fra den afstembare telekommunikationsbølgelængdelaser blev lanceret i litiumniobatbølgelederne og opsamlet fra dem via et par optiske fibre med linser. Forskerne brugte en vilkårlig bølgeformgenerator til at betjene mikrobølgestyringssignaler, før de sendte dem til elektriske forstærkere. Det effektive overlap mellem mikrobølger og optiske felter observeret i systemet muliggjorde højere tuning/moduleringseffektivitet end dem, der tidligere er observeret med bulkelektrooptiske systemer. En sådan sammenhængende mikrobølge-til-optisk konvertering kan forbinde elektroniske kvanteprocesser og erindringer via optisk telekommunikation med lavt tab, til applikationer i fremtidige kvanteinformationsnetværk.

Zhang et al. brugte derefter et kohærent mikrobølgefelt med kontinuerlig bølge til at styre et fotonisk system på to niveauer. I dette system, antallet af fotoner, der kunne udfylde hvert af de to niveauer, var ikke begrænset til et. Opdelingsfrekvensen for systemet blev præcist styret op til flere gigahertz ved at styre amplituden af mikrobølgesignalerne. Effekten blev brugt til at kontrollere den effektive koblingsstyrke mellem energiniveauerne i det fotoniske molekyle. Sammenhængende spektral dynamik i det fotoniske molekyle blev undersøgt for en række forskellige mikrobølgestyrker påført det fotoniske to-niveausystem. Forskerne beskrev også den kontrollerede amplitude og fase af systemet ved hjælp af Rabi -oscillation og Ramsey -interferens, mens du bruger Bloch-kugler/geometriske repræsentationer af det fotoniske to-niveau energisystem til at repræsentere fænomenerne.

Mikrobølge klædte fotoniske bølgeledere. a) Når den anvendte mikrobølgefrekvens er indstillet til at matche funktionsadskillelsen, dissipativ kobling fører de to fotoniske niveauer til at opdele i fire niveauer. Denne effekt er analog med Autler -Townes opdeling. Når mikrobølgeovnen er detuneret langt fra den fotoniske tilstandsopdeling, de fotoniske energiniveauer oplever en spredende effekt, hvilket fører til et skift i de fotoniske niveauer. Denne effekt er analog med a.c. Stark skifter. b) Målte Autler – Townes opdeling i det fotoniske molekyle, hvor opdelingen kan styres nøjagtigt af amplituden af det påførte mikrobølgesignal. c) Målt fotonisk a.c. Stark skifter til et mikrobølgesignal ved 4,5 GHz. Kredit:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y

Værket tillod kontrolleret skrivning og læsning af lys ind i en resonator, fra en ekstern bølgeleder for at opnå on-demand fotonlagring og hentning, en kritisk opgave for optisk signalbehandling. For at lette dette eksperimentelt, Zhang et al. anvendte en stor DC-bias-spænding (15 V) for at omkonfigurere dobbelt-ringsystemet til et par lyse og mørke tilstande. I opsætningen, tilstanden lokaliseret i den første ring gav adgang til de optiske bølgeledere og blev optisk lys (lys tilstand). Den anden tilstand var lokaliseret i den anden ring, der var geometrisk afkoblet fra den optiske inputbølgeleder for at blive optisk mørk. Derfor, forskerne demonstrerede sammenhængende og dynamisk kontrol af et to-niveau fotonisk molekyle med mikrobølge felter og on-demand foton lagring/hentning gennem omhyggelige eksperimenter i undersøgelsen. Værket åbner en vej til en ny form for kontrol af fotoner. Resultaterne er et indledende trin med potentielt umiddelbare anvendelser inden for signalbehandling og kvantefotonik.

On-demand opbevaring og hentning af lys ved hjælp af en fotonisk mørk tilstand. a) Det fotoniske molekyle er programmeret til at resultere i lokaliserede lyse og mørke tilstande. Som resultat, den lyse tilstand kan tilgås fra den optiske bølgeleder, mens den mørke tilstand ikke kan (forbudt af geometri). b) Et mikrobølgefelt påført systemet kan forårsage en effektiv kobling mellem de lyse og mørke tilstande, angivet ved den undgåede krydsning i det optiske transmissionsspektrum. c) Lys kan gemmes og hentes ved hjælp af parret med lys -mørk tilstand og mikrobølgeovn. En mikrobølge π -puls kan anvendes til at overføre lys fra den lyse til den mørke tilstand. Når mikrobølgeovnen er slukket, lys er begrænset fra enhver ekstern bølgelederkobling. Efter en bestemt ønsket opbevaringstid, en anden mikrobølge π -puls henter lyset fra mørket til den lyse tilstand. γ, γi og γex er levetiden for den lyse optiske tilstand, iboende dæmpning og bølgelederkoblingshastighed, henholdsvis. d) Det hentede lys fra den mørke tilstand målt ved forskellige tidsforsinkelser, vist af sporene fra top til bund med et trin på 0,5 ns forsinkelse. Indsats:den ekstraherede intensitet af det hentede lys viser næsten det dobbelte af levetiden for den kritisk koblede lyse tilstand. Fejlbjælkerne viser usikkerheden i den optiske intensitetsaflæsning. MW, mikrobølgeovn; NT, normaliseret transmission; a.u., vilkårlige enheder. Kredit:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y

Designparametrene for de koblede resonatorer giver plads til at undersøge den dynamiske styring af fotoniske systemer på to og flere niveauer, fører til en ny klasse af fotoniske teknologier. Forskerne forestiller sig, at disse fund vil føre til fremskridt inden for topologisk fotonik, avancerede fotoniske beregningskoncepter og on-chip frekvensbaserede optiske kvantesystemer i den nærmeste fremtid.

Sidste artikelStærke interaktioner producerer en dans mellem lys og lyd

Næste artikelHvad sker der egentlig ved femtosekundskryds?