El control de modo es esencial para las tecnologías de procesamiento de datos y comunicaciones ópticas. Ya sean conexiones e interruptores en líneas de transmisión de datos o algún tipo de dispositivo no recíproco para circuitos ópticos, la capacidad de controlar, por ejemplo, si el modo de salida será par o impar para un modo de entrada dado es clave. Ahora, Investigadores de China y Canadá han demostrado cómo lograr una transferencia de modo óptico eficiente en dispositivos más compactos de lo que era posible anteriormente mediante la explotación de "puntos excepcionales" con nuevas propiedades móviles.

"Siempre es un desafío lograr este tipo de dispositivos con un volumen mínimo, baja pérdida de inserción, y alta eficiencia, "explica Bing Wang, investigador del Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan, Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong en China, y el autor principal del informe de estos últimos resultados. Para afrontar el desafío, él y sus colaboradores del Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan, Instituto de Tecnología de Wuhan, El Centro de Excelencia en Ciencia Láser Ultra Intensa de la Academia China de Ciencias en Shanghai y la Universidad de Ottawa investigaron el comportamiento de "puntos excepcionales", un concepto matemático que ha atraído el interés recientemente por los sistemas guiados ópticos y por microondas debido a la posible transferencia de modo. con las propiedades topológicas que describen.

Sin embargo, Los esfuerzos anteriores para explotar puntos excepcionales en dispositivos de transferencia de modo se vieron obstaculizados por restricciones para optimizar la eficiencia y la transmitancia de la transferencia de modo. que inevitablemente dan como resultado guías de onda largas que no son adecuadas para aplicaciones más compactas. Por primera vez, Wang y sus colaboradores consideraron la posibilidad de puntos excepcionales que pudieran moverse. Esto les permitió lograr una alta eficiencia de transferencia de modo y transmitancia en una guía de ondas mucho más corta.

¿Qué es un punto excepcional?

Una variedad describe un espacio topológico que localmente se asemeja al espacio euclidiano en cada punto. En el espacio unidimensional real, esto podría incluir líneas o círculos, pero no cifras de ocho, ya que el punto de cruce no se encontraría en el espacio euclidiano. Los números complejos incluyen partes reales e imaginarias, donde la parte imaginaria es proporcional a la raíz cuadrada de 1 y se utiliza a menudo para describir el comportamiento de amortiguación en sistemas físicos. Debido a los dos componentes, una variedad compleja unidimensional se presenta como un plano llamado superficie de Riemann, que podrían representar valores propios de la energía de un modo particular en un sistema con disipación. El punto excepcional es la singularidad ramificada donde se encuentran dos modos, y esta es la propiedad topológica que permite la transferencia de modo en el sistema.

Wang y sus colegas fabricaron guías de ondas con dos rejillas grabadas en silicio sobre óxido de silicio. Las ondulaciones en los bordes de la rejilla afectan la pérdida efectiva del sistema. Si los gráficos del ancho de la rejilla y la separación de la rejilla rodean las coordenadas del punto excepcional, se produce la transferencia de modo, por lo que una entrada en modo par o impar da como resultado una salida en modo par o impar, según los parámetros del sistema. Sin embargo, o el punto excepcional está cerca del extremo de entrada de la guía de ondas para que los valores propios lo rodeen fácilmente para una transferencia de modo eficiente, pero la transmitancia es baja debido a la gran pérdida del sistema. Alternativamente, el punto excepcional está lejos de la entrada de la guía de ondas, por lo que la eficiencia de transferencia de modo se ve comprometida a menos que la guía de ondas sea mucho más larga.

Moviéndose al ritmo

Wang y sus colegas evitaron el compromiso entre la longitud de la guía de ondas y el rendimiento variando el ancho y la separación de las rejillas, lo que permitió que los puntos excepcionales se movieran. "Mover puntos excepcionales es un avance conceptual, ya que originalmente se consideran en un espacio de parámetros bidimensional, "explica Wang, quien se sorprendió a sí mismo de cómo funcionaba el enfoque.

De hecho, él y sus colegas se habían centrado en reducir la pérdida con puntos excepcionales estables cambiando las ondulaciones de rejilla de las guías de ondas. "De este modo, sin embargo, notamos que el punto excepcional ya no es fijo, "Wang le dice a phys.org. Habiendo desarrollado la teoría para explicar el efecto, pudieron confirmar sus resultados con simulaciones numéricas.

Esperan que el efecto sea útil para convertidores ópticos, acopladores, filtros e interruptores en dispositivos integrados, así como aisladores y circuladores ópticos de banda ancha, que traen un sesgo de dirección de tipo electrónico a los circuitos ópticos. También creen que debería aplicarse a ondas acústicas y de materia.

Próximo, planean manipular los puntos excepcionales en tiempo real. LiNbO ₃ tiene un fuerte efecto electro-óptico, para poder manipular la permitividad efectiva de la guía de ondas cambiando un campo eléctrico externo.

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