Integrerade fotoniska kretsar, som förlitar sig på ljus snarare än elektroner för att flytta information, lovar att revolutionera kommunikationen, avkänning och databehandling. Men att styra och flytta ljus innebär allvarliga utmaningar. Ett stort hinder är att ljuset färdas med olika hastigheter och i olika faser i olika komponenter i en integrerad krets. För att ljus ska kunna kopplas mellan optiska komponenter, den måste röra sig i samma fart.

Nu, ett team av forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, i samarbete med Peking University i Peking, har visat ett nytt sätt att styra dynamiken i bredbandsljus i en allmänt använd optisk komponent som kallas en whispering gallery microcavity (WGM).

Pappret, vars medförfattare också inkluderar forskare från Washington University i Saint Louis, California Institute of Technology, och universitetet i Magdeburg, publiceras i Vetenskap .

"Det bredbandsoptiska kaoset i mikrokaviteten skapar ett universellt verktyg för att komma åt många optiska tillstånd, "sade Linbo Shao, en doktorand i labbet av Marko Loncar, Tiantsai Lin -professor i elektroteknik, på SEAS och medförfattare till tidningen. "Tidigare, forskare behöver flera speciella optiska element för att koppla in och ut WGM:er vid olika våglängder, men genom detta arbete kan vi koppla alla färgljus med en enda optisk kopplare. "

En WGM är en typ av optisk mikroresonator som används i en mängd olika applikationer, från långdistansöverföring i optiska fibrer till kvantberäkning. WGM är uppkallade efter de viskande gallerierna i St. Paul's Cathedral i London, där en akustisk våg (en viskning) cirkulerar inuti ett hålrum (kupolen) från en högtalare på ena sidan till en lyssnare på den andra. Liknande fenomen förekommer i Echo Wall i Temple of Heaven i Kina och i den viskande bågen i Grand Central Station i New York City.

Optiska viskande gallerier fungerar ungefär på samma sätt. Ljusvågor fångade i en mycket begränsad, cirkulärt utrymme - mindre än en hårstrå - kretsar runt hålighetens insida. Som den viskande väggen, hålrummet fäller och bär vågen.

Dock, det är svårt att koppla ihop de optiska fälten från vågledare till de optiska fälten i viskande gallerier i fotoniska kretsar eftersom vågorna färdas med olika hastigheter.

Tänk på en WGM som en rondell vid motorvägen och optiska fält som UPS -lastbilar. Nu, tänk dig att försöka överföra ett paket mellan två lastbilar medan båda rör sig i olika hastigheter. Omöjlig, höger?

För att lösa denna skillnad i fart - utan att bryta mot Newtons lag om bevarande av momentum - skapade forskargruppen lite kaos. Genom att deformera den optiska mikroresonatorns form, forskarna kunde skapa och utnyttja så kallade kaotiska kanaler, där ljusets vinkelmoment inte bevaras och kan förändras med tiden. Genom att alternera resonatorns form, momentum kan justeras; resonatorn kan utformas för att matcha momentum mellan vågledare och WGM. Viktigt, kopplingen är bredband och sker mellan optiska tillstånd som annars inte skulle kopplas.

Forskningen tillhandahåller nya applikationer för mikrokavitetsoptik och fotonik inom optisk kvantbehandling, optisk lagring med mera.

"Arbetet illustrerar ett fundamentalt annorlunda tillvägagångssätt för att undersöka denna viktiga klass av mikroresonatorer samtidigt som den avslöjar vacker fysik som rör ämnet optiskt kaos, "sa Kerry Vahala, Ted och Ginger Jenkins professor i informationsvetenskap och teknik och professor i tillämpad fysik vid Cal Tech, som inte var inblandad i denna forskning.

Nästa, laget kommer att utforska fysiken för optiskt kaos i andra optiska plattformar och material, inklusive fotoniska kristaller och diamanter.