Bredbåndsforbedring er afhængig af præcis tilt

Quantum fotonics involverer en ny type teknologi, der er afhængig af fotoner, den elementære lyspartikel. Disse fotoner kan potentielt bære kvantebits af information over store afstande. Hvis fotonkilden kunne placeres på en enkelt chip og fremstilles til at producere fotoner med en høj hastighed, dette kan muliggøre højhastigheds kvantekommunikation eller informationsbehandling, hvilket ville være et stort fremskridt inden for informationsteknologier.

I denne uges udgave af Anvendt fysik anmeldelser , foreslås en enkel foton-chip på chip, der anvender en type materiale kendt som et hyperbolsk metamateriale. Efterforskerne foretog beregninger for at vise, at en prototype, der anvender det hyperbolske metamateriale, der er arrangeret på en præcis måde, kan overvinde problemer med lav effektivitet og muliggøre høje gentagelseshastigheder for on-chip fotonkilder.

Indtil for nylig, enkeltfotonkilder er normalt fremstillet af selvsamlede kvantepunkter i halvledere eller fra materialer, som diamanter, med strukturelle mangler. Det er svært, imidlertid, at producere enkeltfotoner med høje hastigheder fra sådanne materialer. Nogle metoder til at afhjælpe dette problem er blevet prøvet, men indtil videre, resultaterne lider under en snæver båndbredde og lav effektivitet.

En anden måde at gribe disse problemer an på er at bruge specielle materialer, såsom metamaterialer, for fotonkilden. Metamaterialer er stakke af metalliske og dielektriske lag, struktureret på et niveau, der er meget mindre end lysets bølgelængde i brug. De udviser usædvanlige optiske egenskaber, når de formes til former, såsom nanotråde. Elektroner, der strømmer gennem materialet, opretter en kollektiv svingning kendt som en overfladeplasmon, generering af lokaliserede elektromagnetiske felter.

Hyperboliske metamaterialer er stærkt anisotrope versioner af disse metamaterialer. De manipulerer lys på forskellige måder. For eksempel, de kan krympe lysets bølgelængde og lade det bevæge sig frit i en retning, mens det stopper det i en anden.

Efterforskerne foreslår en geometri for deres on-chip fotonkilde, hvor et hyperbolsk metamateriale vippes i en præcis vinkel i forhold til slutfacetten af ​​den nærliggende nanofiber, der bruges til at transmittere de udsendte fotoner. Ved omhyggeligt at vælge tiltvinklen, lysreflektioner undertrykkes ved grænsefladen med fiberen.

Beregninger fra gruppen viste, at dette enkle geometriske arrangement skulle overvinde tidligere begrænsninger med disse materialer.

Medforfatter Lian Shen sagde, "Vores arbejde repræsenterer et vigtigt skridt i retning af implementering af spektralt brede enkeltfotonkilder med høje gentagelseshastigheder for on-chip-kvantenetværk."