Onderzoekers hebben de eerste laserholte gedemonstreerd die licht in elke denkbare vorm kan opsluiten en verspreiden, zelfs paden met scherpe bochten en hoeken. De nieuwe holte, een topologische holte genoemd, lasercomponenten dichter op een chip kunnen worden verpakt, wat leidt tot hogere snelheid optische communicatietechnologieën die op een efficiënte en schaalbare manier kunnen worden gefabriceerd met behulp van fotonische integratietechnieken.

Dit artikel wordt online gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap op donderdag, 12 oktober, 2017.

"Ons doel is om de fundamentele beperkingen van optische apparaten te overwinnen en nieuwe fysieke principes te ontdekken die mogelijk maken wat voorheen voor onmogelijk werd gehouden, " zei Boubacar Kanté, een professor in elektrische en computertechniek aan UC San Diego en de senior auteur van de studie.

In de meeste conventionele lasers, de laserholte moet een regelmatige gebogen vorm hebben, meestal een ring, zodat lichtgolven zich kunnen voortplanten en in de holte blijven. Als de holte een scherpe bocht heeft, een deel van dat licht wordt verstrooid en gaat verloren. Dit is waarom, bijvoorbeeld, optische vezels mogen geen knikken of bochten hebben.

"Als je de vorm van de holte verandert, je verandert de manier waarop licht in die holte wordt opgesloten, " zei Babak Bahari, een elektrotechniek Ph.D. student aan UC San Diego en de eerste auteur van het artikel.

Het niet kunnen veranderen van de vorm van de holte beperkt ook het aantal componenten dat in een fotonische chip kan worden geïntegreerd. "Als we de vorm van de holte kunnen vervormen, we kunnen het gemakkelijk in elk gebied op een chip plaatsen zonder andere componenten te verstoren of te verplaatsen. Dit zou ons meer vrijheid geven bij het ontwerpen van chipcomponenten en het maken van dichtere, krachtigere apparaten, ' zei Kanté.

Nutsvoorzieningen, Kanté, Bahari en collega's hebben een manier geïntroduceerd om laserholtes met willekeurige vormen te maken zonder hun eigenschappen te veranderen.

Ze creëerden een structuur bestaande uit twee fotonische kristallen, de ene rond de omtrek van de andere. Het kristal aan de binnenkant is gegroeid uit dezelfde materialen als het kristal eromheen, maar ze zijn wat bekend staat als topologisch verschillend - ze kunnen worden beschreven met verschillende aantallen gaten, zoals een bagel (één gat) versus een krakeling (drie gaten). De kristallen vertonen ook de eigenschap dat ze allebei dezelfde golflengte van licht aan de buitenkant kunnen geleiden, terwijl ze aan de binnenkant als isolatoren werken. Door deze kristallen samen te voegen, onderzoekers creëerden een holte waarin lichtgolven zich kunnen voortplanten op het grensvlak tussen de kristallen.

De onderzoekers noemen dit een topologische holte. Het is geen ruimte, maar de grens waar twee topologisch verschillende materialen elkaar ontmoeten, Kanté op. Deze holte kan elke vorm hebben - driehoek, vierkant, een lus met gekartelde randen - en licht kan binnen die vorm circuleren zonder verstrooid te worden.

Om het laservermogen van hun apparaat te demonstreren, onderzoekers koppelden eerst een golfgeleider aan de holte. Daarna activeerden ze de kristallen met licht van een krachtige laser en legden ze een magnetisch veld aan. Met behulp van een infraroodcamera, ze zagen dat hun apparaat een laserstraal met een lagere frequentie uitzond op 1,55 micrometer, een gemeenschappelijke golflengte voor telecommunicatie.

Een ander opmerkelijk kenmerk is dat dit apparaat een niet-wederkerige lasermodus heeft, wat betekent dat de laserstraal maar één kant op kan. Dit is niet het geval bij de meeste bestaande lasers, die een apparaat nodig hebben dat een isolator wordt genoemd om voor de bron te worden geplaatst en te voorkomen dat de laserstraal terugkomt en mogelijk de holte vernietigt. Isolatoren zijn meestal grote apparaten en het nieuwe werk kan ze dus in de toekomst overbodig maken, zei Kanté.

"Deze nieuwe functie stelt ons in staat om een ​​laser te maken die zelfbeschermend is, ' zei Bahari.

Vooruit gaan, het team hoopt een elektrisch aangedreven apparaat te maken, wat het praktischer zou maken. Kanté is ook van plan om de fundamentele fysica van topologische holtes verder te onderzoeken. Hij is vooral geïnteresseerd in het onderzoeken hoe dicht dergelijke holtes op een chip kunnen worden verpakt. Deze studies kunnen belangrijk zijn voor de verwerking van kwantuminformatie en kunnen fundamentele efficiëntiegrenzen van huidige systemen overwinnen, hij zei.