Cirkulationspumpar är viktiga komponenter i kommunikationsteknik. Deras unika sätt att leda ljus kräver vanligtvis magneter av centimeter, som är svåra att förminska för användning på optiska chips. Forskare vid AMOLF och University of Texas har kringgått detta problem med en vibrerande glasring som interagerar med ljus. De skapade alltså en mikroskala cirkulator som riktar ljus på ett optiskt chip utan att använda magneter. Forskarna publicerade sitt arbete i Naturkommunikation den 4 maj 2018.

Cirkulationspumpar tillåter överföring av information utan förlust mellan mer än två noder i ett nätverk, det är därför de används flitigt i optiska nätverk. Cirkulatorer har flera ingångs- och utgångshamnar mellan vilka de leder ljus på ett speciellt sätt:ljus som kommer in i en viss hamn tvingas lämna i en andra hamn, men ljus som kommer in i den andra porten går ut i en tredje port, och så vidare.

"Ljusspridning är symmetrisk till sin natur, vilket betyder att om ljus kan sprida sig från A till B, den omvända vägen är lika möjlig. Vi behöver ett knep för att bryta symmetrin, "säger AMOLF-gruppledaren Ewold Verhagen." Vanligtvis använder detta trick sig med centimeterstora magneter för att ge riktning och bryta den symmetriska karaktären hos ljusutbredning. Sådana system är svåra att miniatyrisera för användning på fotoniska chips. "

Verhagen och hans kollegor skapade cirkulerande beteende med hjälp av en mikroskala glasringresonator med ett annat trick. De låter ljuset i ringen interagera med ringens mekaniska vibrationer. Forskarna använde denna princip i tidigare arbeten för att demonstrera enkelriktad optisk överföring. "Genom att lysa av en" kontroll "laser i ringen, ljus av en annan färg kan väcka vibrationer genom en kraft som kallas strålningstryck, men bara om den sprider sig i samma riktning som kontrolljusvågan, "Verhagen förklarar." Eftersom ljus sprider sig annorlunda genom en vibrerande struktur än genom en struktur som står stilla, den optiska kraften bryter symmetri på samma sätt som ett magnetfält skulle göra. "

Rondell för ljus

Att göra 'enkelriktad gata för ljus' till en användbar optisk 'rondell' var inte så enkelt som det kan tyckas, som postdoc John Mathew påpekar:"Utmaningen är att diktera den specifika utgång som ljuset kan dirigeras till, så att det alltid tar nästa port. "

Forskarna hittade lösningen i optisk störning. Noggrann kontroll av de optiska banorna i strukturen säkerställer att ljus från varje ingång konstruktivt stör exakt rätt utgång. "Vi demonstrerade denna cirkulation i experiment, och visade att den kan ställas in aktivt. Kontrolllaserns frekvens och effekt gör att cirkulationen kan slås på och stängas av och ändras vid handenhet, säger Mathew.

Informationsnätverk

AMOLF:s "rondell" för ljus är faktiskt den första magnetfria, on-chip optisk cirkulator. Även om forskningen är grundläggande, den har många möjliga tillämpningar. Verhagen:"Enheter som detta kan bilda byggstenar för chips som använder ljus istället för elektroner för att bära information, liksom för framtida kvantdatorer och kommunikationsnätverk. Det faktum att cirkulatorn kan styras aktivt ger ytterligare funktionalitet eftersom de optiska kretsarna kan omkonfigureras efter behag. "