Control ultrarrápido de los microláseres cuasi-BIC. (A) Esquema de experimentos de bombeo de dos haces. Dos haces están espacialmente desafinados con una distancia d <2R, siendo desplazado temporalmente con un tiempo de retardo τ. Los recuadros muestran los patrones de emisión de campo lejano de la metasuperficie de perovskita bajo excitaciones simétricas y asimétricas. (B) Transición de un microlaser BIC a un láser polarizado linealmente. I1, 2 son las intensidades en las regiones marcadas en el inserto de (A). Los recuadros muestran los perfiles de vigas correspondientes. (C) Proceso inverso de (B). (D) Transición de un haz de rosquilla a un haz de dos lóbulos y de regreso en unos pocos picosegundos. Las curvas rojas son líneas guía para el cálculo del tiempo de transición. Crédito: Ciencias (2020). DOI:10.1126 / science.aba4597
El interruptor totalmente óptico es un tipo de dispositivo que controla la luz con luz, que es el bloque de construcción fundamental de las comunicaciones ópticas modernas y el procesamiento de la información. Creando un ultrarrápido y el conmutador totalmente óptico compacto ha sido reconocido como el paso clave para el desarrollo de la computación óptica y cuántica de próxima generación. En principio, los fotones no interactúan entre sí directamente en el régimen lineal de baja potencia, y generalmente se necesita una cavidad para mejorar de manera resonante el campo de luz de control y aumentar la interacción. En el trabajo inicial, El rendimiento de los interruptores totalmente ópticos se ha mejorado rápidamente mediante la optimización de resonadores, como microrings o cristales fotónicos. Para más mejoras, el área de investigación alcanza el límite:el equilibrio entre el consumo de energía ultrabajo y el tiempo de conmutación ultracorto.
"El bajo consumo de energía generalmente requiere un factor Q alto del resonador, Considerando que el modo de alta Q de mayor duración impone un obstáculo para mejorar la velocidad de conmutación, "dijo Qinghai Song del Instituto de Tecnología de Harbin, Porcelana. "Recientemente se ha aprovechado un enfoque alternativo con nanoestructura plasmónica para romper el compromiso. La pérdida de inserción y propagación es tan grande como 19 dB y se requiere un consumo de energía adicional para amplificar las señales".
Las acciones láser en los estados delimitados protegidos topológicamente en el continuo tienen el potencial de resolver eventualmente este desafío de larga data. En Ciencias , investigadores del Instituto de Tecnología de Harbin, Australian National University y City University of New York detallan su innovación del mecanismo de conmutación en los estados delimitados topológicamente protegidos en el continuo (BIC), que ofrece una transición ultrarrápida de emisión de microláser de un haz de rosquilla polarizado radialmente a lóbulos polarizados linealmente y viceversa. El factor Q extremadamente alto de los BIC puede reducir drásticamente el umbral del láser y eventualmente romper el compromiso anterior en los interruptores totalmente ópticos convencionales.
El siguiente paso de esta investigación es integrar en cascada varios de estos microláseres conmutables con un chip fotónico integrado y realizar operaciones de lógica óptica. Este es el requisito previo para el objetivo final:la computación óptica o cuántica.
Uso de BIC protegidos contra simetría
Los interruptores totalmente ópticos ultrarrápidos convencionales utilizan el índice de refracción no lineal o la absorción no lineal para producir un bit óptico. Tales técnicas requieren una alta fluencia de excitación para producir un cambio de longitud de onda o una pérdida adicional para modular la transmisión. todavía limitado por la compensación.
Los investigadores resuelven este problema con las características ópticas de los BIC, que fue propuesto inicialmente por Von Neumann y Wigner en mecánica cuántica y ha sido revisado recientemente en óptica. Aunque los BIC accidentales han atraído la mayor parte de la atención de la investigación debido a su robustez, esta investigación se centra en las emisiones láser de los BIC protegidos por simetría. En comparación con BIC accidentales, este último es extremadamente sensible a las perturbaciones que rompen la simetría. La ganancia excepcional de un sistema láser, correspondiente a la parte imaginaria del índice de refracción (n "), puede ser un parámetro nuevo y eficaz para el control ultrarrápido de la simetría y las correspondientes emisiones láser de campo lejano relacionadas con la simetría en los BIC.
Para probar el concepto, los investigadores fabricaron una nanoestructura periódica de celosía cuadrada en un MAPbBr 3 película de perovskita y la bombeó ópticamente. La operación del láser monomodo se logró en los BIC protegidos contra simetría. El rayo láser de salida es un rayo de rosca en la dirección vertical con un ángulo de divergencia de 2o. La prueba de polarización y el patrón de autointerferencia muestran que el rayo láser de emisión está polarizado radialmente con momento angular orbital (OAM).
"La emisión láser direccional con OAM no es sorprendente, "dijo Song." Ha sido observado y explicado por B. Kante de UC Berkeley. Se relaciona con el vórtice de polarización en los BIC y el momento angular de giro transversal inducido por las muestras reales. También se puede realizar con excitación óptica polarizada circularmente. Comparablemente, el microlaser BIC es más intrigante en la conmutación totalmente óptica ".
Los investigadores muestran que el perfil de bombeo puede controlar eficazmente los láseres BIC. Al aumentar parcialmente la ganancia óptica con el segundo haz, la simetría rotacional cuádruple se rompe y el láser BIC se degrada a un láser de cristal fotónico convencional. Como resultado, el haz de rosquilla transita a dos lóbulos linealmente polarizados. Tal transición y su reversión ocurren en un tiempo de 1-1.5 ps. También se ha realizado una transición completa de una rosquilla a dos lóbulos y de vuelta a una rosquilla en 2-3 ps. Tal tiempo de conmutación es más de un orden de magnitud más rápido que la vida útil del microlaser BIC, demostrando claramente que se ha roto la limitación de la vida útil del láser en el tiempo de conmutación.
"Este control ultrarrápido se atribuye a las características de campo lejano de los BIC, "dijo Song." Los BIC se forman por interferencia destructiva en los canales de radiación. Considerando la radiación de campo lejano, la transición de los microláseres BIC a los láseres convencionales representa una redistribución de la emisión láser en lugar de un encendido / apagado directo del modo láser ".
El umbral del láser es de aproximadamente 4,2 mW / cm. 2 , dando un consumo de energía por bit similar al de los conmutadores totalmente ópticos actuales. "Esto se debe a que la calidad de nuestras nanoestructuras de perovskita es baja y el factor Q ultra alto de los BIC no se ha utilizado por completo, "dijo Song". el umbral se puede reducir aún más en órdenes de magnitud con los BIC y romper todas las limitaciones de los interruptores totalmente ópticos ".
El mecanismo demostrado no está limitado por la excitación óptica. También son posibles los microláseres BIC de accionamiento eléctrico con conmutación ultrarrápida y la integración en el chip en cascada de estos láseres BIC conmutables ultrarrápidos también es esencial para la computación óptica y cuántica. Esta investigación se publica en Ciencias el 28 de febrero, 2020.
