Mikrovågsstyrd fotonisk molekyl. a) Den fotoniska molekylen realiseras av ett par identiska kopplade optiska mikroringsresonatorer (resonansfrekvens ω1 =ω2). Systemet har två distinkta energinivåer - ett symmetriskt och ett antisymmetriskt optiskt läge (indikerat här med blå/blå skuggning för det symmetriska och rött/blått för det antisymmetriska läget) som är rumsligt ur fas med π. Mikrovågsfältet kan interagera koherent med tvånivåssystemet genom litiumniobats starka Pockels-effekt (χ (2)). b) Falskfärgad skanningselektronmikroskopbild av de kopplade mikrorörningsresonatorerna. c) Uppmätt överföringsspektrum för det fotoniska system med två nivåer. De två optiska lägena separeras med 2μ =2π × 7 GHz med linjebredder på γ =2π × 96 MHz motsvarande en laddad optisk kvalitetsfaktor på 1,9 × 106. d) De resulterande överföringsspektra från en applicerad DC. fältet visar en antikorsningskurva på grund av den ändliga optiska kopplingen mellan de två ringarna, vilket är analogt med d.c. Stark effekt i ett kanoniskt tvånivåsystem. NT, normaliserad överföring. Upphovsman:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Fysiska system med diskreta energinivåer är allmänt förekommande till sin natur och utgör grundläggande byggstenar för kvantteknologi. Konstgjorda atomliknande och molekylliknande system har tidigare visats reglera ljus för koherent och dynamisk kontroll av frekvensen, amplitud och fotonen. I en nyligen genomförd studie, Mian Zhang och kollegor konstruerade en fotonisk molekyl med två olika energinivåer, med hjälp av kopplade litiumniobat mikroringresonatorer som kunde styras via extern mikrovågsexcitering. Ljusets frekvens och fas kan exakt styras av programmerade mikrovågssignaler med hjälp av kanoniska system på två nivåer för att inkludera Autler-Townes delning, Stark skift, Rabi -oscillation och Ramsey -störningsfenomen i studien. Genom en sådan sammanhängande kontroll, forskarna visade on-demand optisk lagring och hämtning genom att omkonfigurera den fotoniska molekylen till ett ljus-mörkt modepar. Den dynamiska ljusstyrningen i ett programmerbart och skalbart elektrooptiskt system öppnar dörrar för applikationer inom mikrovågssignalbehandling, kvantfotoniska grindar i frekvensområdet och för att utforska koncept inom optisk databehandling såväl som i topologisk fysik.
Resultaten publiceras nu den Nature Photonics , där Zhang et al. övervann den befintliga prestationsavvägningen, att förverkliga ett programmerbart fotoniskt system med två nivåer som kan styras dynamiskt via gigahertz-mikrovågssignaler. För att åstadkomma detta, forskarna skapade en mikrofonadresserbar fotonisk molekyl med hjälp av ett par integrerade litiumniobat-mikro-ringresonatorer mönstrade nära varandra (radie 80 μm). De kombinerade effekterna av låg optisk förlust, effektiv samintegrering av optiska vågledare och mikrovågselektroder möjliggjorde samtidig realisering av en stor elektrisk bandbredd (> 30 GHz), stark moduleringseffektivitet och lång fotons livslängd (~ 2 ns).
En fotonisk analog av ett system på två nivåer kan vanligtvis underlätta undersökning av komplexa fysiska fenomen i material, elektronik och optik. Sådana system förmedlar viktiga funktioner, inklusive unik on-demand fotonlagring och hämtning, koherent optisk frekvensförskjutning och optisk kvantinformationsbehandling vid rumstemperatur. För dynamisk styrning av fotoniska tvånivåsystem, elektrooptiska metoder är idealiska på grund av deras snabba respons, programmerbarhet och möjlighet för storskalig integration.
Enhets- och experimentinställningsdetaljer. a) Bild av svepelektronmikroskop (SEM) av gapet mellan de kopplade mikrorörningsresonatorerna. b) Tvärsnitt av profilen för optiskt läge i ringresonatorn. c) Mikroringbild av hela enheten som visar dubbelringen och mikrovågselektroderna. d) SEM-bild av arrayen av dubbelringanordningar tillverkade på ett enda chip. Upphovsman:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
För elektro-optisk styrning av ett system med två nivåer, foton livslängd för varje energiläge måste vara längre än den tid som krävs för att systemet ska drivas från ett tillstånd till det andra. Konventionella integrerade fotoniska plattformar har hittills inte uppfyllt kraven för en samtidigt lång livslängd för foton och snabb modulering. Elektriskt aktiva fotoniska plattformar (baserade på kisel, grafen och andra polymerer), tillåta snabb elektrooptisk modulering vid gigahertz-frekvenser men drabbas av kortare fotons livslängd. Dock, ren elektrisk inställning är fortfarande mycket önskvärd, eftersom smalbandiga mikrovågssignaler erbjuder mycket bättre kontroll med minimalt brus och skalbarhet.
I deras arbete, Zhang et al. visade att optisk överföring av den fotoniska molekylen mätt med en telekomvåglängdslaser, stödde ett par väldefinierade optiska energinivåer. Den evanescenta kopplingen av ljus från en resonator till en annan möjliggjordes genom ett gap på 500 nm mellan mikro-ringresonatorerna för att bilda de två välupplösta optiska energinivåerna. Forskarna undersökte analogin mellan ett atomärt och fotoniskt system på två nivåer för att demonstrera kontroll över den fotoniska molekylen.
Utökad experimentell installation. Enheten pumpas optiskt med en avstämbar telelaser som är centrerad runt 1630 nm. Ljuset skickas genom en extern elektrooptisk modulator och polarisationsregulatorer (PLC) innan den kopplas in i chipet med en linserad fiber. Den optiska utsignalen, också kopplad med en linsfiber skickas till en 12 GHz fotodetektor. Den konverterade elektriska signalen styrs till ett oscilloskop. Mikrovågsstyrsignalerna genereras av en godtycklig våggenerator (AWG) och förstärks innan de skickas in i enheten. En förspänning T används för att tillåta likströmskontroll på mikroresonatorerna. En elektrisk isolator används för att fånga den elektriska reflektionen från mikroresonatorerna. Oscilloskopet, enhetsdrivsignaler och modulatorns drivsignaler är alla synkroniserade. Upphovsman:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
I experimenten, ljus från den avstämbara telekomvåglängdslasern lanserades i litiumniobatvågledarna och samlades in från dem via ett par linserade optiska fibrer. Forskarna använde en godtycklig vågformsgenerator för att styra mikrovågsstyrsignaler innan de skickade dem till elektriska förstärkare. Den effektiva överlappningen mellan mikrovågor och optiska fält som observerades i systemet möjliggjorde högre justerings-/moduleringseffektivitet än de som tidigare observerats med bulkelektrooptiska system. Sådan koherent mikrovågs-till-optisk konvertering kan länka elektroniska kvantprocesser och minnen via optisk telekommunikation med låg förlust, för applikationer i framtida kvantinformationsnätverk.
Zhang et al. använde sedan ett kontinuerligt vågigt koherent mikrovågsfält för att styra ett fotoniskt system med två nivåer. I detta system, antalet fotoner som kunde fylla var och en av de två nivåerna var inte begränsat till en. Klyvfrekvensen för systemet kontrollerades exakt upp till flera gigahertz genom att styra amplituden för mikrovågssignalerna. Effekten användes för att kontrollera den effektiva kopplingsstyrkan mellan energinivåerna för den fotoniska molekylen. Koherent spektral dynamik i den fotoniska molekylen undersöktes för en mängd olika mikrovågsstyrkor som applicerades på det fotoniska tvånivåssystemet. Forskarna beskrev också den kontrollerade amplituden och fasen av systemet med hjälp av Rabi -oscillation och Ramsey -störning, vid användning av Bloch-sfärer/geometriska representationer av det fotoniska energin i två nivåer för att representera fenomenen.
Mikrovågsugn klädda fotoniska vågledare. a) När den tillämpade mikrovågsfrekvensen är inställd för att matcha lägesseparationen, dissipativ koppling leder till att de två fotoniska nivåerna delas upp i fyra nivåer. Denna effekt är analog med Autler – Townes delning. När mikrovågsugnen är avstängd långt från det fotoniska läget, de fotoniska energinivåerna upplever en spridande effekt, vilket leder till en förändring av de fotoniska nivåerna. Denna effekt är analog med a.c. Stark skiftar. b) Uppmätta Autler – Townes delning i den fotoniska molekylen, där splittringen kan regleras exakt av amplituden för den applicerade mikrovågssignalen. c) Uppmätt fotoniskt a.c. Stark skiftar för en mikrovågssignal vid 4,5 GHz. Upphovsman:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Arbetet tillät kontrollerad skrivning och läsning av ljus i en resonator, från en extern vågledare för att uppnå on-demand-fotonlagring och -hämtning, en kritisk uppgift för optisk signalbehandling. För att underlätta detta experimentellt, Zhang et al. applicerade en stor likspänning (15 V) för att omkonfigurera dubbelringssystemet till ett par ljusa och mörka lägen. I installationen, läget lokaliserat i den första ringen gav tillgång till de optiska vågledarna och blev optiskt ljust (ljusläge). Det andra läget var lokaliserat i den andra ringen som var geometriskt frikopplad från den ingående optiska vågledaren för att bli optiskt mörk. Följaktligen, forskarna visade koherent och dynamisk kontroll av en tvånivåers fotonisk molekyl med mikrovågsfält och fotonlagring/hämtning på begäran genom noggranna experiment i studien. Arbetet öppnar en väg till en ny form av kontroll på fotoner. Resultaten är ett första steg med potentiellt omedelbara tillämpningar inom signalbehandling och kvantfotonik.
On-demand lagring och hämtning av ljus med ett fotoniskt mörkt läge. a) Den fotoniska molekylen är programmerad att resultera i lokaliserade ljusa och mörka lägen. Som ett resultat, det ljusa läget kan nås från den optiska vågledaren, medan det mörka läget inte kan (förbjudet av geometri). b) Ett mikrovågsfält som appliceras på systemet kan framkalla en effektiv koppling mellan ljusa och mörka lägen, indikeras av den undvikna korsningen i det optiska överföringsspektrumet. c) Ljus kan lagras och hämtas med hjälp av paret med ljus -mörkt läge och mikrovågsstyrning. En mikrovågs π -puls kan appliceras för att överföra ljus från det ljusa till det mörka läget. När mikrovågsugnen är avstängd, ljuset är begränsat från någon extern vågledarkoppling. Efter en viss önskad lagringstid, en andra mikrovågs π -puls hämtar ljuset från mörkret till det ljusa läget. γ, γi och γex är livslängden för det ljusa optiska läget, inneboende dämpning och vågledarkopplingshastighet, respektive. d) Det hämtade ljuset från det mörka läget mätt vid olika tidsfördröjningar, visas med spåren uppifrån och ner med ett steg om 0,5 ns fördröjning. Insats:den extraherade intensiteten för det hämtade ljuset visar nästan dubbelt så lång livstid som det kritiskt kopplade ljusläget. Felstaplarna visar osäkerheten i den optiska intensitetsavläsningen. MW, mikrovågsugn; NT, normaliserad överföring; a.u., godtyckliga enheter. Upphovsman:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Designparametrarna för de kopplade resonatorerna ger utrymme för att undersöka den dynamiska kontrollen av fotoniska system med två och flera nivåer, leder till en ny klass av fotonisk teknik. Forskarna föreställer sig att dessa fynd kommer att leda till framsteg inom topologisk fotonik, avancerade fotoniska beräkningskoncept och on-chip frekvensbaserade optiska kvantsystem inom en snar framtid.
© 2018 Science X Network
