Forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign har visat en ny nivå av optisk isolering som är nödvändig för att främja optisk signalbehandling på kretsen. Tekniken som involverar ljus-ljudinteraktion kan implementeras i nästan vilken fotonisk gjuteriprocess som helst och kan avsevärt påverka optiska dator- och kommunikationssystem.

"Optiska isolatorer med låg förlust är kritiska komponenter för signaldirigering och skydd, men deras chip-skala integration i fotoniska kretsar är ännu inte praktisk. Isolatorer fungerar som optiska dioder genom att tillåta ljus att passera genom ett håll samtidigt som det blockerar det i motsatt riktning, " förklarade Gaurav Bahl, en biträdande professor i mekanisk vetenskap och teknik vid Illinois. "I den här studien, vi visade att fullständig optisk isolering kan erhållas inom vilken dielektrisk vågledare som helst med ett mycket enkelt tillvägagångssätt, och utan användning av magneter eller magnetiska material."

De viktigaste egenskaperna hos ideala optiska isolatorer är att de ska tillåta ljus med noll förlust på ett sätt, samtidigt som det absorberar ljus perfekt i motsatt riktning, dvs villkoret för "fullständig" isolering. Idealiska isolatorer bör också ha en bred bandbredd och måste vara linjära, d.v.s. den optiska signalvåglängden ändras inte genom enheten och egenskaperna är oberoende av signalstyrkan. Den bästa metoden, hittills, för att uppnå isolering med dessa egenskaper har skett genom den magnetoptiska Faraday-rotationseffekten som inträffar i speciella gyrotropiska material, t.ex. granatkristaller. Tyvärr, denna teknik har visat sig vara utmanande att implementera i fotonik i chipsskala på grund av tillverkningskomplexitet, svårigheter att lokalt begränsa magnetfält, och betydande materiella förluster. Mot bakgrund av denna utmaning, flera icke-magnetiska alternativ för att bryta ömsesidighet har undersökts både teoretiskt och experimentellt.

I en tidigare studie, Bahls forskargrupp demonstrerade experimentellt, för första gången, fenomenet Brillouin Scattering Induced Transparency (BSIT), där ljus-ljudkoppling kan användas för att sakta ner, öka farten, och blockera ljus i en optisk vågledare.

"Den viktigaste aspekten av den upptäckten är observationen att BSIT är ett icke-ömsesidigt fenomen - transparensen genereras bara på ett sätt. I den andra riktningen, systemet absorberar fortfarande ljus, ", sa Bahl. "Detta icke-ömsesidiga beteende kan utnyttjas för att bygga isolatorer och cirkulatorer som är oumbärliga verktyg i en optisk designers verktygslåda."

"I det här arbetet, vi demonstrerar experimentellt fullständig linjär optisk isolering i ett vågledar-resonatorsystem som helt består av silikaglas, genom att trycka in BSIT-interaktionen i den starka kopplingsregimen, och sondera optisk transmission genom vågledaren i framåt- och bakåtriktningen samtidigt, " sa JunHwan Kim, en doktorand och första författare till tidningen, "Fullständig linjär optisk isolering i mikroskala med ultralåg förlust, " dyker upp i Vetenskapliga rapporter .

"Experimentellt, vi har visat en linjär isolator som kan generera rekordstora 78,6 dB kontrast för endast 1 dB framåtriktad insättningsförlust inom isoleringsbandet, ", tillade J. Kim. "Detta betyder att ljus som sprider sig bakåt är nästan 100 miljoner gånger starkare undertryckt än ljus i framåtriktningen. Vi demonstrerar också den dynamiska optiska omkonfigurerbarheten av isoleringsriktningen."

"För närvarande har effekten visats i en smal bandbredd. I framtiden, bredare bandbreddsisolering kan också närma sig om vågledaren och resonatorn är integrerade på chipet, eftersom återstående mekaniska problem kan elimineras och de interagerande lägena kan utformas exakt, ", sa Bahl. "Att uppnå fullständig linjär optisk isolering genom opto-mekaniska interaktioner som BSIT som förekommer i alla media, oavsett kristallinitet eller amorfitet, material bandstruktur, magnetisk förspänning, eller närvaro av vinst, säkerställer att tekniken kan implementeras med nästan vilket optiskt material som helst i nästan vilket kommersiellt fotonikgjuteri som helst."

Eftersom den undviker magnetiska fält eller radiofrekventa drivfält, detta tillvägagångssätt är särskilt attraktivt för chip-skala kalla atom mikrosystemteknik, för både isolering och slutare av optiska signaler, och on-chip laserskydd utan förlust.