Circulatiepompen zijn belangrijke componenten in de communicatietechnologie. Hun unieke manier om licht te routeren vereist meestal centimetergrote magneten, die moeilijk te miniaturiseren zijn voor gebruik op optische chips. Onderzoekers van AMOLF en de Universiteit van Texas hebben dit probleem omzeild met een vibrerende glazen ring die interageert met licht. Zo creëerden ze een circulator op microschaal die het licht gericht naar een optische chip leidt zonder magneten te gebruiken. De onderzoekers publiceerden hun werk in Natuurcommunicatie op 4 mei 2018.

Circulatoren maken de overdracht van informatie mogelijk zonder verlies tussen meer dan twee knooppunten in een netwerk, daarom worden ze veel gebruikt in optische netwerken. Circulatoren hebben verschillende in- en uitgangspoorten waartussen ze licht op een speciale manier geleiden:licht dat een bepaalde poort binnenkomt, wordt gedwongen om in een tweede poort uit te gaan, maar licht dat die tweede poort binnenkomt, gaat uit in een derde poort, enzovoort.

"De voortplanting van licht is symmetrisch van aard, wat betekent dat als licht zich van A naar B kan voortplanten, het omgekeerde pad is evengoed mogelijk. We hebben een truc nodig om de symmetrie te doorbreken, ", zegt AMOLF-groepsleider Ewold Verhagen. "Meestal is deze truc het gebruik van centimetergrote magneten om richting te geven en de symmetrische aard van lichtvoortplanting te doorbreken. Dergelijke systemen zijn moeilijk te miniaturiseren voor gebruik op fotonische chips."

Verhagen en zijn collega's creëerden circulerend gedrag met behulp van een microschaal glazen ringresonator met een andere truc. Ze laten het licht in de ring interageren met de mechanische trillingen van de ring. De onderzoekers gebruikten dit principe in eerder werk om optische transmissie in één richting aan te tonen. "Door het licht van een 'controle'-laser in de ring te laten schijnen, licht van een andere kleur kan trillingen opwekken door een kracht die bekend staat als stralingsdruk, maar alleen als het zich voortplant in dezelfde richting als de controlelichtgolf, Verhagen legt uit. "Omdat licht zich door een trillende structuur anders voortplant dan door een stilstaande structuur, de optische kracht breekt de symmetrie op dezelfde manier als een magnetisch veld zou doen."

Rotonde voor licht

Van de 'eenrichtingsstraat voor licht' een bruikbare optische 'rotonde' maken was niet zo eenvoudig als het lijkt, zoals postdoc John Mathew opmerkt:"De uitdaging is om de specifieke uitgang te dicteren waarnaar het licht kan worden geleid, zodat het altijd de volgende poort neemt."

De onderzoekers vonden de oplossing in optische interferentie. Zorgvuldige controle van de optische paden in de structuur zorgt ervoor dat het licht van elke input constructief interfereert met precies de juiste output. "We hebben deze circulatie aangetoond in experimenten, en toonde aan dat het actief kan worden afgestemd. Door de frequentie en het vermogen van de controlelaser kan de circulatie worden in- en uitgeschakeld en kan de handigheid worden veranderd, " zegt Mathieu.

Informatienetwerken

De AMOLF 'rotonde' voor licht is eigenlijk de eerste magneetvrije, optische circulatiepomp op de chip. Hoewel het onderzoek fundamenteel van aard is, het heeft veel mogelijke toepassingen. Verhagen:"Dit soort apparaten kunnen bouwstenen vormen voor chips die licht gebruiken in plaats van elektronen om informatie te vervoeren, evenals voor toekomstige kwantumcomputers en communicatienetwerken. Het feit dat de circulatiepomp actief kan worden aangestuurd, biedt extra functionaliteit omdat de optische circuits naar believen opnieuw kunnen worden geconfigureerd."