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新型紧凑型光子隔离器使用声波控制光线

光提供了一种不可替代的方式来与我们的宇宙互动。它可以穿越银河系距离并与我们的大气层发生碰撞,产生一股粒子雨,讲述过去天文事件的故事。在地球上,控制光可以让我们将数据从地球的一侧发送到另一侧。 

鉴于其广泛的用途,光在实现 21st 世纪量子信息应用。例如,科学家们使用激光来精确控制原子,将它们变成对时间、加速度甚至重力的超灵敏测量。目前,这种早期的量子技术受到尺寸的限制;最先进的系统不能放在餐桌上,更不用说芯片了。为了实际使用,科学家和工程师需要将量子设备小型化,这需要重新考虑某些组件以利用光。

现在,IQUIST 成员 Gaurav Bahl 和他的研究小组设计了一种简单、紧凑的光子电路,该电路使用声波来控制光线。这项新研究发表在 10 月 21 日的期刊上 自然光子学, 展示了一种隔离或控制光的方向性的强大方法。该团队的测量表明,他们的隔离方法目前优于所有以前的片上替代方法,并且针对与基于原子的传感器的兼容性进行了优化。

“原子是自然界任何地方的完美参考,并为许多量子应用提供了基础,” 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程 (MechSe) 教授 Bahl 说。 “我们用来控制原子的激光器需要隔离器来阻止不需要的反射。但到目前为止,在大规模实验中运行良好的隔离器已被证明难以小型化。”

即使在最好的情况下,光也很难控制——它在遇到表面时会反射、吸收和折射。一面镜子将光线送回原处,一块玻璃碎片在让光线通过的同时弯曲光线,而深色的岩石吸收光线并将其转化为热量。从本质上讲,光会很高兴地从其路径上的任何地方散射出去。这种笨拙的行为就是为什么即使是一丝光也有利于在黑暗中看东西。 

在大型量子设备中控制光通常是一项艰巨的任务,涉及到大量的镜子、透镜、光纤等。小型化需要对许多这些组件采取不同的方法。在过去的几年里,科学家和工程师在设计各种微芯片上的光控制元件方面取得了重大进展。他们可以制造波导,这是传输光的通道,甚至可以使用某些材料改变其颜色。但是迫使由称为光子的微小光点组成的光向一个方向移动,同时抑制不需要的向后反射是很棘手的。 

“隔离器是一种设备,它允许光以一种方式不间断地通过,并在相反的方向上完全阻挡它,” 该研究的第一作者 Benjamin Sohn 说,他是 Mechse 的前研究生和博士后研究员,现在在博尔德的 NIST。 “这种单向性无法仅使用任何常见的介电材料或玻璃来实现,因此我们需要更具创新性。我们还希望隔离器能够在调谐到原子传感器的光波长下工作,即使在大规模时也很难做到这一点.”

在典型的实验中,实现单向性的最佳工具是使用磁铁。例如,几乎每个激光器都有一个磁光隔离器,可以让光离开激光器但防止它向后传播,这会干扰激光功能。虽然激光器可以小型化,但缩小传统隔离器的问题有两个原因。首先,在紧凑型设备中,磁场会对附近的原子产生负面影响。其次,即使有办法解决这个问题,隔离器内部的材料在芯片上较小的长度尺度上也不能很好地工作。 

Bahl 的团队展示了一种新的非磁性隔离器,结果证明它设计简单,使用常见的光学材料,并且很容易适应不同波长的光。 

“我们想要设计一种自然避免损耗的设备,而最好的方法是让光通过任何东西传播。仍然可以沿着受控路径引导光子的最简单的‘无物’是波导,它是一种光子电路中非常基本的组件,” said Bahl. 

在一个完整的基于原子的系统中,波导将引导激光通过一系列元素到达一个包含原子的小室。考虑到这一点,该团队优化了他们的芯片以使用 780 纳米光,这是配置常见的基于铷的传感器所需的波长。

这只是设计的前半部分,因为为了隔离,必须同时在相反方向阻挡光线。此前,该团队表明他们可以将声波发射到光子电路中,以打破对称的光流。在新研究中,该团队将这一想法转化为功能芯片元件的演示。 

完整的光子隔离器包含一个波导和一个相邻的环形谐振器,看起来像一个长方形的跑道。通常,入射光无论方向如何都会从波导进入谐振器,从而阻挡所有光流。但是当团队将声波施加到环上时,谐振器只捕获通过波导向后移动的光。在向前的方向上,光通过波导畅通无阻,就好像谐振器根本不在那里一样。

该团队的测量表明,几乎每个光子都向前移动通过波导,而向后移动的机会只有一万分之一。这意味着该设计将损耗或不需要的光吸收降低到接近于零,这是以前的片上隔离器长期存在的问题。数据显示,新器件在片上隔离和操作方面表现出破纪录的性能,与更大的基于磁体的器件一样。此外,该方法是灵活的,可以在不改变起始材料的情况下用于多个波长。 

“制造的简单性是关键——使用我们的方法,您可以在同一芯片上同时打印适用于您需要的任何波长的光子隔离器。这在今天的其他方法中是不可能的,” 合著者、伊利诺伊大学电气工程研究生 Ogulcan Orsel 说。 

这可能使新设计适用于其他应用,例如量子计算,在这些应用中,杂散、不受控制的磁场以及不需要的光会削弱整体设备性能。 

这项工作得到了国防高级研究计划局 (DARPA)、空军科学研究办公室 (AFOSR)、美国国家科学基金会 (NSF) 和海军研究办公室 (ONR) 的支持。

来源: //grainger.illinois.edu/

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