Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een nieuw niveau van optische isolatie aangetoond dat nodig is om de optische signaalverwerking op de chip te bevorderen. De techniek met licht-geluidinteractie kan in bijna elk fotonisch gietproces worden geïmplementeerd en kan een aanzienlijke impact hebben op optische computer- en communicatiesystemen.

"Low-loss optische isolatoren zijn cruciale componenten voor signaalroutering en bescherming, maar hun integratie op chipschaal in fotonische circuits is nog niet praktisch. Isolatoren werken als optische diodes door licht door te laten in de ene richting terwijl het in de tegenovergestelde richting wordt geblokkeerd, " legde Gaurav Bahl uit, een assistent-professor mechanische wetenschappen en techniek in Illinois. "In dit onderzoek, we hebben aangetoond dat volledige optische isolatie kan worden verkregen binnen elke diëlektrische golfgeleider met behulp van een zeer eenvoudige benadering, en zonder het gebruik van magneten of magnetische materialen."

De belangrijkste kenmerken van ideale optische isolatoren zijn dat ze licht in één richting zonder verlies moeten toestaan, terwijl het licht perfect in de tegenovergestelde richting absorbeert, dat wil zeggen de toestand van 'volledige' isolatie. Ideale isolatoren moeten ook een grote bandbreedte hebben en lineair zijn, d.w.z. de optische signaalgolflengte verandert niet door het apparaat en de eigenschappen zijn onafhankelijk van de signaalsterkte. De beste methode, daten, voor het bereiken van isolatie met deze kenmerken is het magneto-optische Faraday-rotatie-effect dat optreedt in speciale gyrotrope materialen, bijv. granaat kristallen. Helaas, deze techniek is een uitdaging gebleken om te implementeren in fotonica op chipschaal vanwege de complexiteit van de fabricage, moeite met het lokaal beperken van magnetische velden, en aanzienlijke materiële verliezen. In het licht van deze uitdaging, verschillende niet-magnetische alternatieven voor het doorbreken van wederkerigheid zijn zowel theoretisch als experimenteel onderzocht.

In een eerdere studie, Bahl's onderzoeksteam heeft experimenteel aangetoond, Voor de eerste keer, het fenomeen van Brillouin Scattering Induced Transparency (BSIT), waarin licht-geluid koppeling kan worden gebruikt om te vertragen, versnellen, en blokkeer licht in een optische golfgeleider.

"Het belangrijkste aspect van die ontdekking is de observatie dat BSIT een niet-wederkerig fenomeen is - de transparantie wordt maar op één manier gegenereerd. In de andere richting, het systeem absorbeert nog steeds licht, Bahl zei. "Dit niet-wederkerige gedrag kan worden uitgebuit om isolatoren en circulatiepompen te bouwen die onmisbare hulpmiddelen zijn in de gereedschapskist van een optisch ontwerper."

"In dit werk, we demonstreren experimenteel volledige lineaire optische isolatie in een golfgeleider-resonatorsysteem dat volledig uit silicaglas bestaat, door de BSIT-interactie in het sterke koppelingsregime te duwen, en tegelijkertijd optische transmissie door de golfgeleider in de voorwaartse en achterwaartse richtingen, " verklaarde JunHwan Kim, een afgestudeerde student en eerste auteur van het papier, "Volledige lineaire optische isolatie op microschaal met ultralaag verlies, " verschijnen in Wetenschappelijke rapporten .

"Experimenteel, we hebben een lineaire isolator gedemonstreerd die een recordbrekend contrast van 78,6 dB kan genereren voor slechts 1 dB voorwaarts invoegverlies binnen de isolatieband, J. Kim voegde eraan toe. "Dit betekent dat licht dat zich achterwaarts voortplant, bijna 100 miljoen keer sterker wordt onderdrukt dan licht in de voorwaartse richting. We demonstreren ook de dynamische optische herconfigureerbaarheid van de isolatierichting."

"Momenteel is het effect aangetoond in een smalle bandbreedte. In de toekomst zal bredere bandbreedte-isolatie kan ook worden benaderd als de golfgeleider en resonator op de chip zijn geïntegreerd, aangezien resterende mechanische problemen kunnen worden geëlimineerd en de interactiemodi nauwkeurig kunnen worden ontworpen, Bahl zei. "Volledige lineaire optische isolatie bereiken door middel van opto-mechanische interacties zoals BSIT die in alle media voorkomen, ongeacht kristalliniteit of amorfiteit, materiële bandstructuur, magnetische vooringenomenheid, of aanwezigheid van winst, zorgt ervoor dat de techniek kan worden geïmplementeerd met bijna elk optisch materiaal in bijna elke commerciële fotonica-gieterij."

Omdat het magnetische velden of radiofrequente aandrijfvelden vermijdt, deze benadering is bijzonder aantrekkelijk voor chip-schaal koude atoom microsysteemtechnologieën, voor zowel isolatie als bekisting van optische signalen, en on-chip laserbescherming zonder verlies.