Molécula fotónica controlada por microondas. a) La molécula fotónica se realiza mediante un par de resonadores ópticos de microcristales acoplados idénticos (frecuencia de resonancia ω1 =ω2). El sistema tiene dos niveles de energía distintos:un modo óptico simétrico y uno antisimétrico (indicado aquí por sombreado azul / azul para el modo simétrico y rojo / azul para el modo antisimétrico) que están desfasados espacialmente por π. El campo de microondas puede interactuar coherentemente con el sistema de dos niveles a través del fuerte efecto Pockels (χ (2)) del niobato de litio. b) Imagen de microscopio electrónico de barrido con colores falsos de los resonadores de microcristales acoplados. c) Espectro de transmisión medido del sistema fotónico de dos niveles. Los dos modos ópticos están separados por 2μ =2π × 7 GHz con anchos de línea de γ =2π × 96 MHz correspondientes a un factor de calidad óptica cargado de 1,9 × 106. d) Los espectros de transmisión resultantes de una corriente continua aplicada. campo muestra una curva anti-cruce debido al acoplamiento óptico finito entre los dos anillos, que es análogo al d.c. Efecto absoluto en un sistema canónico de dos niveles. NUEVO TESTAMENTO, transmisión normalizada. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Los sistemas físicos con niveles de energía discretos son de naturaleza ubicua y forman bloques de construcción fundamentales de la tecnología cuántica. Anteriormente se demostró que los sistemas artificiales similares a átomos y moléculas regulan la luz para un control coherente y dinámico de la frecuencia, amplitud y fase de los fotones. En un estudio reciente, Mian Zhang y sus colegas diseñaron una molécula fotónica con dos niveles de energía distintos, utilizando resonadores de microanillos de niobato de litio acoplados que podrían controlarse mediante excitación de microondas externa. La frecuencia y la fase de la luz podrían operarse con precisión mediante señales de microondas programadas utilizando sistemas canónicos de dos niveles para incluir la división de Autler-Townes, Cambio de Stark, Oscilación de Rabi y fenómenos de interferencia de Ramsey en el estudio. A través de un control tan coherente, Los científicos demostraron el almacenamiento y la recuperación ópticos bajo demanda reconfigurando la molécula fotónica en un par de modo brillante-oscuro. El control dinámico de la luz en un sistema electroóptico programable y escalable abrirá puertas para aplicaciones en el procesamiento de señales de microondas, puertas fotónicas cuánticas en el dominio de la frecuencia y para explorar conceptos en computación óptica, así como en física topológica.
Los resultados ahora se publican en Fotónica de la naturaleza , donde Zhang et al. superó la compensación de rendimiento existente, para realizar un sistema fotónico programable de dos niveles que se puede controlar dinámicamente a través de señales de microondas de gigahercios. Para lograr esto, Los científicos crearon una molécula fotónica direccionable por microondas utilizando un par de resonadores de microanillos de niobato de litio integrados con un patrón cercano entre sí (radio de 80 μm). Los efectos combinados de una baja pérdida óptica, La cointegración eficiente de guías de ondas ópticas y electrodos de microondas permitió la realización simultánea de un gran ancho de banda eléctrico (> 30 GHz), Fuerte eficiencia de modulación y larga vida útil de los fotones (~ 2 ns).
Un análogo fotónico de un sistema de dos niveles normalmente puede facilitar la investigación de fenómenos físicos complejos en materiales, electrónica y óptica. Estos sistemas transmiten funciones importantes, incluido el almacenamiento y la recuperación únicos de fotones a pedido, desplazamiento de frecuencia óptica coherente y procesamiento de información cuántica óptica a temperatura ambiente. Para el control dinámico de sistemas fotónicos de dos niveles, Los métodos electroópticos son ideales debido a su rápida respuesta, programabilidad y posibilidad de integración a gran escala.
Detalles del dispositivo y de la configuración experimental. a) Imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de la brecha entre los resonadores microring acoplados. b) Sección transversal del perfil de modo óptico en el resonador de anillo. c) Imagen de microring del dispositivo completo que muestra el anillo doble y los electrodos de microondas. d) Imagen SEM de la matriz de dispositivos de doble anillo fabricados en un solo chip. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Para el control electroóptico de un sistema de dos niveles, la vida útil de los fotones de cada estado energético debe ser mayor que el tiempo necesario para que el sistema pase de un estado a otro. Hasta ahora, las plataformas fotónicas integradas convencionales no han cumplido los requisitos de una vida útil prolongada del fotón y una modulación rápida. Plataformas fotónicas eléctricamente activas (basadas en silicio, grafeno y otros polímeros), permiten una modulación electroóptica rápida a frecuencias de gigahercios, pero sufren una vida útil más corta de los fotones. Sin embargo, la sintonización eléctrica pura sigue siendo muy deseable, ya que las señales de microondas de banda estrecha ofrecen un control mucho mejor con un mínimo de ruido y escalabilidad.
En su trabajo, Zhang y col. mostró que la transmisión óptica de la molécula fotónica medida con un láser de longitud de onda de telecomunicaciones, soportó un par de niveles de energía óptica bien definidos. El acoplamiento evanescente de luz de un resonador a otro se habilitó a través de un espacio de 500 nm entre los resonadores de microanillos para formar los dos niveles de energía óptica bien resueltos. Los científicos exploraron la analogía entre un sistema de dos niveles atómico y fotónico para demostrar el control de la molécula fotónica.
Configuración experimental ampliada. El dispositivo es bombeado ópticamente por un láser de telecomunicaciones sintonizable centrado alrededor de 1630 nm. La luz se envía a través de un modulador electroóptico externo y controladores de polarización (PLC) antes de acoplarse al chip con una fibra con lentes. La señal óptica de salida, también junto con una fibra con lente se envía a un fotodetector de 12 GHz. La señal eléctrica convertida se dirige a un osciloscopio. Las señales de control de microondas son generadas por un generador de ondas arbitrarias (AWG) y amplificadas antes de enviarse al dispositivo. Se utiliza una polarización T para permitir el control de CC en los microrresonadores. Se utiliza un aislador eléctrico para capturar la reflexión eléctrica de los microrresonadores. El osciloscopio, las señales de excitación del dispositivo y las señales de excitación del modulador están todas sincronizadas. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
En los experimentos, la luz del láser de longitud de onda de telecomunicaciones sintonizable se lanzó a las guías de onda de niobato de litio y se recogió de ellas a través de un par de fibras ópticas con lentes. Los científicos utilizaron un generador de forma de onda arbitraria para operar señales de control de microondas antes de enviarlas a amplificadores eléctricos. La superposición eficiente entre las microondas y los campos ópticos observada en el sistema permitió una mayor eficiencia de sintonización / modulación que las observadas previamente con los sistemas electroópticos a granel. Tal conversión coherente de microondas a óptica puede vincular procesos cuánticos electrónicos y memorias a través de telecomunicaciones ópticas de baja pérdida. para aplicaciones en futuras redes de información cuántica.
Zhang y col. Luego usó un campo de microondas coherente de onda continua para controlar un sistema fotónico de dos niveles. En este sistema, el número de fotones que podían poblar cada uno de los dos niveles no se limitaba a uno. La frecuencia de división del sistema se controló con precisión hasta varios gigahercios controlando la amplitud de las señales de microondas. El efecto se utilizó para controlar la fuerza de acoplamiento eficaz entre los niveles de energía de la molécula fotónica. Se investigó la dinámica espectral coherente en la molécula fotónica para una variedad de intensidades de microondas aplicadas al sistema fotónico de dos niveles. Los científicos también describieron la amplitud y fase controladas del sistema utilizando la oscilación de Rabi y la interferencia de Ramsey, mientras usa las esferas / representaciones geométricas de Bloch del sistema de energía fotónico de dos niveles para representar los fenómenos.
Guías de ondas fotónicas vestidas para microondas. a) Cuando la frecuencia de microondas aplicada se sintoniza para que coincida con la separación de modo, El acoplamiento disipativo hace que los dos niveles fotónicos se dividan en cuatro niveles. Este efecto es análogo a la división de Autler-Townes. Cuando el microondas se desafina lejos de la división del modo fotónico, los niveles de energía fotónica experimentan un efecto dispersivo, conduciendo a un cambio en los niveles fotónicos. Este efecto es análogo al c.a. Cambios rígidos. b) División de Autler-Townes medida en la molécula fotónica, donde la división se puede controlar con precisión mediante la amplitud de la señal de microondas aplicada. c) C a.c. fotónica medida Stark cambia para una señal de microondas a 4.5 GHz. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
El trabajo permitió la escritura controlada y la lectura de luz en un resonador, desde una guía de ondas externa para lograr el almacenamiento y la recuperación de fotones bajo demanda, una tarea crítica para el procesamiento de señales ópticas. Para facilitar esto experimentalmente, Zhang y col. aplicó una gran tensión de polarización de CC (15 V) para reconfigurar el sistema de anillo doble en un par de modos brillante y oscuro. En la configuración, el modo localizado en el primer anillo proporcionó acceso a las guías de ondas ópticas y se volvió ópticamente brillante (modo brillante). El otro modo se localizó en el segundo anillo que estaba geométricamente desacoplado de la guía de ondas óptica de entrada para volverse ópticamente oscuro. Respectivamente, Los científicos demostraron un control coherente y dinámico de una molécula fotónica de dos niveles con campos de microondas y almacenamiento / recuperación de fotones a pedido a través de experimentos meticulosos en el estudio. El trabajo abre un camino hacia una nueva forma de control de los fotones. Los resultados son un paso inicial con aplicaciones potencialmente inmediatas en el procesamiento de señales y la fotónica cuántica.
Almacenamiento y recuperación de luz bajo demanda mediante un modo oscuro fotónico. a) La molécula fotónica está programada para producir modos de brillo y oscuridad localizados. Como resultado, se puede acceder al modo brillante desde la guía de ondas óptica, mientras que el modo oscuro no puede (prohibido por geometría). b) Un campo de microondas aplicado al sistema puede inducir un acoplamiento efectivo entre los modos claro y oscuro, indicado por el cruce evitado en el espectro de transmisión óptica. c) La luz se puede almacenar y recuperar usando el par de modo brillante-oscuro y el control de microondas. Se puede aplicar un pulso de microondas π para transferir la luz del modo brillante al oscuro. Cuando se apaga el microondas, la luz está restringida por cualquier acoplamiento de guía de ondas externo. Después de un cierto tiempo de almacenamiento deseado, un segundo pulso π de microondas recupera la luz del modo oscuro al brillante. γ, γi y γex son las duraciones del modo óptico brillante, amortiguación intrínseca y velocidad de acoplamiento de la guía de ondas, respectivamente. d) La luz recuperada del modo oscuro medida en diferentes retrasos de tiempo, mostrado por las trazas de arriba a abajo con un incremento de retardo de 0.5 ns. Recuadro:la intensidad extraída de la luz recuperada muestra casi el doble de la vida útil del modo brillante acoplado críticamente. Las barras de error muestran la incertidumbre en la lectura de intensidad óptica. MW, microonda; NUEVO TESTAMENTO, transmisión normalizada; a.u., unidades arbitrarias. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Los parámetros de diseño de los resonadores acoplados proporcionan espacio para investigar el control dinámico de sistemas fotónicos de dos y varios niveles. conduciendo a una nueva clase de tecnologías fotónicas. Los científicos prevén que estos hallazgos conducirán a avances en la fotónica topológica, conceptos avanzados de computación fotónica y sistemas cuánticos ópticos basados en frecuencia en chip en un futuro próximo.
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