Geïntegreerde fotonische circuits, die afhankelijk zijn van licht in plaats van elektronen om informatie te verplaatsen, beloven een revolutie teweeg te brengen in de communicatie, waarneming en gegevensverwerking. Maar het beheersen en bewegen van licht vormt een serieuze uitdaging. Een grote hindernis is dat licht zich met verschillende snelheden en in verschillende fasen in verschillende componenten van een geïntegreerde schakeling voortplant. Om licht te koppelen tussen optische componenten, het moet met hetzelfde momentum bewegen.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, in samenwerking met de Universiteit van Peking in Peking, heeft een nieuwe manier aangetoond om het momentum van breedbandlicht te beheersen in een veelgebruikte optische component die bekend staat als een fluistergalerij-microcavity (WGM).

De krant, wiens co-auteurs ook onderzoekers van de Washington University in Saint Louis omvatten, het California Institute of Technology, en de Universiteit van Maagdenburg, is gepubliceerd in Wetenschap .

"De breedband optische chaos in microholtes creëert een universeel hulpmiddel om toegang te krijgen tot vele optische toestanden, " zei Linbo Shao, een afgestudeerde student in het lab van Marko Loncar, de Tiantsai Lin hoogleraar elektrotechniek, bij SEAS en co-eerste auteur van het papier. "Eerder, onderzoekers hebben meerdere speciale optische elementen nodig om licht in en uit WGM's op verschillende golflengten te koppelen, maar door dit werk kunnen we alle kleurenlampen koppelen met een enkele optische koppeling."

Een WGM is een type optische microresonator die wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van langeafstandstransmissie in optische vezels tot kwantumcomputing. WGM's zijn genoemd naar de fluistergalerijen van St. Paul's Cathedral in Londen, waar een akoestische golf (een fluistering) in een holte (de koepel) circuleert van een luidspreker aan de ene kant naar een luisteraar aan de andere kant. Een vergelijkbaar fenomeen doet zich voor in de Echo Wall in de Temple of Heaven in China en in de fluisterboog in Grand Central Station in New York City.

Optische fluistergalerijen werken ongeveer op dezelfde manier. Lichtgolven gevangen in een zeer beperkte, cirkelvormige ruimte - kleiner dan een haarlok - draait rond de binnenkant van de holte. Als de fluisterende muur, de holte vangt en draagt ​​de golf.

Echter, het is moeilijk om de optische velden van golfgeleiders te koppelen aan de optische velden in fluistergalerijen in fotonische circuits omdat de golven zich met verschillende snelheden voortplanten.

Zie een WGM als een snelwegrotonde en optische velden als UPS-vrachtwagens. Nutsvoorzieningen, stel je voor dat je een pakket probeert over te brengen tussen twee vrachtwagens terwijl beide met verschillende snelheden rijden. Onmogelijk, Rechtsaf?

Om dit verschil in momentum op te lossen - zonder de wet van Newton van het behoud van momentum te overtreden - creëerde het onderzoeksteam een ​​kleine chaos. Door de vorm van de optische microresonator te vervormen, de onderzoekers waren in staat om zogenaamde chaotische kanalen te creëren en te benutten, waarin het impulsmoment van licht niet behouden blijft en in de loop van de tijd kan veranderen. Door de vorm van de resonator af te wisselen, het momentum kan worden afgestemd; de resonator kan worden ontworpen om het momentum tussen golfgeleiders en WGM's te evenaren. belangrijk, de koppeling is breedband en vindt plaats tussen optische toestanden die anders niet zouden koppelen.

Het onderzoek biedt nieuwe toepassingen voor microcavity-optica en fotonica in optische kwantumverwerking, optische opslag en meer.

"Het werk illustreert een fundamenteel andere benadering om deze belangrijke klasse van microresonatoren te onderzoeken, terwijl het ook prachtige fysica onthult met betrekking tot het onderwerp optische chaos, " zei Kerry Vahala, de Ted en Ginger Jenkins hoogleraar informatiewetenschappen en technologie en hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Cal Tech, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

Volgende, het team zal de fysica van optische chaos in andere optische platforms en materialen onderzoeken, inclusief fotonische kristallen en diamanten.