O controle de modo é essencial para comunicações ópticas e tecnologias de processamento de dados. Quer sejam conexões e interruptores em linhas de transmissão de dados ou algum tipo de dispositivo não recíproco para circuitos ópticos, a habilidade de controlar, por exemplo, se o modo de saída será par ou ímpar para um determinado modo de entrada é fundamental. Agora, pesquisadores na China e no Canadá demonstraram como obter transferência de modo óptico eficiente em dispositivos mais compactos do que antes, explorando "pontos excepcionais" com novas propriedades móveis.

"É sempre um desafio conseguir tais dispositivos com volume minimizado, baixa perda de inserção, e alta eficiência, "explica Bing Wang, um pesquisador do Laboratório Nacional de Wuhan para Optoeletrônica, Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia na China, e o principal autor do relatório desses últimos resultados. Para enfrentar o desafio, ele e colaboradores do Laboratório Nacional de Wuhan para Optoeletrônica, Instituto de Tecnologia de Wuhan, o Centro de Excelência em Ciência do Laser Ultra-Intenso da Academia Chinesa de Ciências em Xangai e a Universidade de Ottawa investigaram o comportamento de "pontos excepcionais" - um conceito matemático que recentemente atraiu interesse por micro-ondas e sistemas guiados ópticos devido à possibilidade de transferência de modo com as propriedades topológicas que eles descrevem.

Contudo, esforços anteriores para explorar pontos excepcionais em dispositivos de transferência de modo foram prejudicados por restrições para otimizar a eficiência de transferência de modo e transmitância, o que inevitavelmente resulta em guias de onda longos que não são adequados para aplicações mais compactas. Pela primeira vez, Wang e seus colaboradores consideraram a possibilidade de pontos excepcionais que poderiam se mover. Isso permitiu que eles alcançassem alta eficiência de transferência de modo e transmitância em um guia de ondas muito mais curto.

O que é um ponto excepcional?

Uma variedade descreve um espaço topológico que se assemelha localmente ao espaço euclidiano em cada ponto. No espaço unidimensional real, isso pode incluir linhas ou círculos, mas não figuras de oito, já que o ponto de cruzamento não seria encontrado no espaço euclidiano. Números complexos incluem partes reais e imaginárias, onde a parte imaginária é proporcional à raiz quadrada de 1 e é freqüentemente usada para descrever o comportamento de amortecimento em sistemas físicos. Por causa dos dois componentes, uma variedade complexa unidimensional é apresentada como um plano chamado superfície de Riemann, que pode representar autovalores da energia de um modo particular em um sistema com dissipação. O ponto excepcional é a singularidade ramificada onde dois modos se encontram, e esta é a propriedade topológica que permite a transferência de modo no sistema.

Wang e seus colegas fabricaram guias de onda com duas grades gravadas em silício sobre óxido de silício. As ondulações nas bordas da grade afetam a perda efetiva do sistema. Se os gráficos da largura da grade e da separação da grade circundam as coordenadas do ponto excepcional, modo de transferência ocorre, portanto, uma entrada de modo ímpar ou par resulta em uma saída de modo ímpar ou par, dependendo dos parâmetros do sistema. Contudo, ou o ponto excepcional está perto da extremidade de entrada do guia de ondas, de modo que os autovalores facilmente o circundam para transferência de modo eficiente, mas a transmitância é baixa devido à alta perda do sistema. Alternativamente, o ponto excepcional está longe da entrada do guia de ondas, de modo que a eficiência de transferência do modo fica comprometida, a menos que o guia de ondas seja muito mais longo.

Movendo-se para o ritmo

Wang e seus colegas contornaram a compensação entre o comprimento do guia de ondas e o desempenho, variando a largura e a separação das grades, o que permitiu que os pontos excepcionais se movessem. "Mover pontos excepcionais é um grande avanço, uma vez que são originalmente considerados em um espaço de parâmetros bidimensional, "explica Wang, que ficou surpreso com a forma como a abordagem funcionou.

Na verdade, ele e seus colegas haviam se concentrado em reduzir a perda com pontos excepcionais estáveis, alterando as ondulações gradeadas dos guias de ondas. "Desta maneira, Contudo, notamos que o ponto excepcional não é mais fixo, "Wang disse a phys.org. Tendo desenvolvido a teoria para explicar o efeito, eles foram capazes de confirmar seus resultados com simulações numéricas.

Eles esperam que o efeito seja útil para conversores ópticos, acopladores, filtros e interruptores em dispositivos integrados, bem como isoladores ópticos de banda larga e circuladores, que trazem polarização de direção semelhante à eletrônica para os circuitos ópticos. Eles também acreditam que isso deve ser aplicado a ondas acústicas e de matéria.

Próximo, eles planejam manipular os pontos excepcionais em tempo real. LiNbO ₃ tem um forte efeito eletro-óptico, para que eles pudessem manipular a permissividade efetiva do guia de ondas alterando um campo elétrico externo.

© 2020 Science X Network