Molécula fotônica controlada por microondas. a) A molécula fotônica é realizada por um par de ressonadores ópticos de microssonagem acoplados idênticos (frequência de ressonância ω1 =ω2). O sistema tem dois níveis de energia distintos - um modo óptico simétrico e um modo óptico anti-simétrico (indicado aqui por sombreamento azul / azul para o modo simétrico e vermelho / azul para o modo antissimétrico) que estão espacialmente defasados por π. O campo de microondas pode interagir de forma coerente com o sistema de dois níveis por meio do forte efeito Pockels (χ (2)) do niobato de lítio. b) Imagem de microscópio eletrônico de varredura em cores falsas dos ressonadores de microronagem acoplados. c) Espectro de transmissão medido do sistema fotônico de dois níveis. Os dois modos ópticos são separados por 2μ =2π × 7 GHz com larguras de linha de γ =2π × 96 MHz correspondendo a um fator de qualidade óptica carregado de 1,9 × 106. d) Os espectros de transmissão resultantes de um d.c. campo mostra uma curva anti-cruzamento devido ao acoplamento óptico finito entre os dois anéis, que é análogo ao d.c. Efeito total em um sistema canônico de dois níveis. NT, transmissão normalizada. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Os sistemas físicos com níveis de energia discretos são onipresentes na natureza e formam os blocos de construção fundamentais da tecnologia quântica. Os sistemas semelhantes a átomos e moléculas artificiais foram demonstrados anteriormente para regular a luz para o controle coerente e dinâmico da frequência, amplitude e a fase dos fótons. Em um estudo recente, Mian Zhang e colegas projetaram uma molécula fotônica com dois níveis de energia distintos, usando ressonadores de micro-anel de niobato de lítio acoplados que podem ser controlados por meio de excitação de micro-ondas externa. A frequência e a fase da luz poderiam ser operadas com precisão por sinais de microondas programados usando sistemas canônicos de dois níveis para incluir a divisão de Autler-Townes, Mudança total, Os fenômenos de oscilação de Rabi e interferência de Ramsey no estudo. Por meio de tal controle coerente, os cientistas mostraram armazenamento ótico sob demanda e recuperação reconfigurando a molécula fotônica em um par de modo claro-escuro. O controle dinâmico da luz em um sistema eletro-óptico programável e escalonável abrirá portas para aplicações em processamento de sinal de microondas, portas fotônicas quânticas no domínio da frequência e para explorar conceitos em computação óptica, bem como em física topológica.
Os resultados agora são publicados em Nature Photonics , onde Zhang et al. superou a compensação de desempenho existente, para realizar um sistema fotônico programável de dois níveis que pode ser controlado dinamicamente por meio de sinais de micro-ondas gigahertz. Para conseguir isso, os cientistas criaram uma molécula fotônica endereçável por micro-ondas usando um par de ressonadores de microanéis de niobato de lítio padronizados próximos um do outro (raio de 80 μm). Os efeitos combinados de baixa perda óptica, eficiente co-integração de guias de ondas ópticas e eletrodos de microondas permitiu a realização simultânea de uma grande largura de banda elétrica (> 30 GHz), forte eficiência de modulação e longa vida útil do fóton (~ 2 ns).
Um análogo fotônico de um sistema de dois níveis pode normalmente facilitar a investigação de fenômenos físicos complexos em materiais, eletrônica e óptica. Esses sistemas transmitem funções importantes, incluindo armazenamento e recuperação de fótons sob demanda exclusivos, mudança de frequência óptica coerente e processamento óptico de informação quântica à temperatura ambiente. Para controle dinâmico de sistemas fotônicos de dois níveis, os métodos eletro-ópticos são ideais devido à sua resposta rápida, programabilidade e possibilidade de integração em grande escala.
Detalhes de configuração do dispositivo e experimental. a) Imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) da lacuna entre os ressonadores de microroscagem acoplados. b) Seção transversal do perfil do modo óptico no ressonador de anel. c) Imagem de microring do dispositivo completo mostrando o anel duplo e os eletrodos de micro-ondas. d) Imagem SEM da matriz de dispositivos de anel duplo fabricados em um único chip. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Para controle eletro-óptico de um sistema de dois níveis, o tempo de vida do fóton de cada estado de energia deve ser maior do que o tempo necessário para que o sistema seja conduzido de um estado para o outro. As plataformas fotônicas convencionais integradas não atenderam aos requisitos de uma vida útil de fótons simultaneamente longa e de modulação rápida até agora. Plataformas fotônicas eletricamente ativas (baseadas em silício, grafeno e outros polímeros), permitem a modulação eletro-óptica rápida em frequências gigahertz, mas sofrem com tempos de vida mais curtos dos fótons. Contudo, a sintonia elétrica pura ainda é altamente desejável, já que os sinais de microondas de banda estreita oferecem um controle muito melhor com o mínimo de ruído e escalabilidade.
Em seu trabalho, Zhang et al. mostraram que a transmissão óptica da molécula fotônica medida usando um laser de comprimento de onda de telecomunicação, suportou um par de níveis de energia óptica bem definidos. O acoplamento evanescente de luz de um ressonador para outro foi habilitado por meio de um intervalo de 500 nm entre os ressonadores de microanéis para formar os dois níveis de energia óptica bem resolvidos. Os cientistas exploraram a analogia entre um sistema atômico e fotônico de dois níveis para demonstrar o controle da molécula fotônica.
Configuração experimental estendida. O dispositivo é bombeado opticamente por um laser de telecomunicações sintonizável centrado em torno de 1630 nm. A luz é enviada por meio de um modulador eletro-óptico externo e controladores de polarização (PLC) antes de se acoplar ao chip com uma fibra com lente. O sinal óptico de saída, também acoplado a uma fibra com lente é enviado a um fotodetector de 12 GHz. O sinal elétrico convertido é direcionado a um osciloscópio. Os sinais de controle de microondas são gerados por um gerador de ondas arbitrárias (AWG) e amplificados antes de serem enviados para o dispositivo. Uma polarização T é usada para permitir o controle DC nos microrressonadores. Um isolador elétrico é usado para capturar a reflexão elétrica dos microrressonadores. O osciloscópio, os sinais de acionamento do dispositivo e os sinais de acionamento do modulador estão todos sincronizados. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Nos experimentos, a luz do laser de comprimento de onda de telecomunicação sintonizável foi lançada nos guias de onda de niobato de lítio e coletada deles por meio de um par de fibras ópticas com lentes. Os cientistas usaram um gerador de forma de onda arbitrária para operar sinais de controle de microondas antes de enviá-los para amplificadores elétricos. A sobreposição eficiente entre as microondas e os campos ópticos observados no sistema permitiu maior eficiência de sintonia / modulação do que as observadas anteriormente com sistemas eletro-ópticos em massa. Essa conversão coerente de micro-ondas em óptica pode ligar processos quânticos eletrônicos e memórias por meio de telecomunicação óptica de baixa perda, para aplicações em futuras redes de informação quântica.
Zhang et al. em seguida, usou um campo de microondas coerente de onda contínua para controlar um sistema fotônico de dois níveis. Neste sistema, o número de fótons que poderiam preencher cada um dos dois níveis não se limitava a um. A frequência de divisão do sistema foi precisamente controlada até vários gigahertz, controlando a amplitude dos sinais de microondas. O efeito foi usado para controlar a força de acoplamento eficaz entre os níveis de energia da molécula fotônica. Dinâmicas espectrais coerentes na molécula fotônica foram investigadas para uma variedade de potências de microondas aplicadas ao sistema fotônico de dois níveis. Os cientistas também descreveram a amplitude e fase controladas do sistema usando oscilação Rabi e interferência de Ramsey, ao usar esferas de Bloch / representações geométricas do sistema fotônico de energia de dois níveis para representar os fenômenos.
Guias de onda fotônicos revestidos com micro-ondas. a) Quando a frequência de micro-ondas aplicada é ajustada para coincidir com a separação de modo, o acoplamento dissipativo leva os dois níveis fotônicos a se dividirem em quatro níveis. Este efeito é análogo à divisão de Autler-Townes. Quando o microondas é desafinado longe da divisão do modo fotônico, os níveis de energia fotônica experimentam um efeito dispersivo, levando a uma mudança nos níveis fotônicos. Este efeito é análogo a a.c. Mudanças radicais. b) Medida de divisão de Autler-Townes na molécula fotônica, onde a divisão pode ser controlada com precisão pela amplitude do sinal de micro-ondas aplicado. c) Fotônico medido a.c. Mudanças radicais para um sinal de micro-ondas a 4,5 GHz. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
O trabalho permitiu a escrita controlada e a leitura da luz em um ressonador, de um guia de onda externo para obter armazenamento e recuperação de fótons sob demanda, uma tarefa crítica para o processamento de sinais ópticos. Para facilitar isso experimentalmente, Zhang et al. aplicou uma grande tensão de polarização DC (15 V) para reconfigurar o sistema de anel duplo em um par de modos claro e escuro. Na configuração, o modo localizado no primeiro anel forneceu acesso aos guias de ondas ópticas e tornou-se opticamente brilhante (modo brilhante). O outro modo foi localizado no segundo anel que foi geometricamente desacoplado do guia de onda óptico de entrada para se tornar opticamente escuro. De acordo, os cientistas demonstraram controle coerente e dinâmico de uma molécula fotônica de dois níveis com campos de microondas e armazenamento / recuperação de fótons sob demanda por meio de experimentos meticulosos no estudo. O trabalho abre caminho para uma nova forma de controle dos fótons. Os resultados são um passo inicial com aplicações potencialmente imediatas em processamento de sinais e fotônica quântica.
Armazenamento sob demanda e recuperação de luz usando um modo escuro fotônico. a) A molécula fotônica é programada para resultar em modos claros e escuros localizados. Como resultado, o modo brilhante pode ser acessado a partir do guia de onda óptico, enquanto o modo escuro não pode (proibido pela geometria). b) Um campo de micro-ondas aplicado ao sistema pode induzir um acoplamento eficaz entre os modos claro e escuro, indicado pelo cruzamento evitado no espectro de transmissão óptica. c) A luz pode ser armazenada e recuperada usando o par de modo claro-escuro e o controle de micro-ondas. Um pulso de micro-ondas π pode ser aplicado para transferir a luz do modo claro para o escuro. Quando o micro-ondas é desligado, a luz é restrita a qualquer acoplamento de guia de onda externo. Depois de um certo tempo de armazenamento desejado, um segundo pulso π de micro-ondas recupera a luz do escuro para o modo claro. γ, γi e γex são as vidas úteis do modo óptico brilhante, amortecimento intrínseco e taxa de acoplamento de guia de ondas, respectivamente. d) A luz recuperada do modo escuro medida em diferentes atrasos de tempo, mostrado pelos traços de cima para baixo com um incremento de atraso de 0,5 ns. Detalhe:a intensidade extraída da luz recuperada mostra quase o dobro do tempo de vida do modo de brilho criticamente acoplado. As barras de erro mostram a incerteza na leitura da intensidade óptica. MW, microondas; NT, transmissão normalizada; a.u., unidades arbitrárias. Crédito:Nature Photonics, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Os parâmetros de design dos ressonadores acoplados fornecem espaço para investigar o controle dinâmico de sistemas fotônicos de dois e vários níveis, levando a uma nova classe de tecnologias fotônicas. Os cientistas prevêem que essas descobertas levarão a avanços na fotônica topológica, conceitos avançados de computação fotônica e sistemas quânticos ópticos baseados em frequência no chip em um futuro próximo.
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