Fysieke systemen met discrete energieniveaus zijn alomtegenwoordig van aard en vormen fundamentele bouwstenen van kwantumtechnologie. Van kunstmatige atoomachtige en molecuulachtige systemen is eerder aangetoond dat ze licht reguleren voor coherente en dynamische controle van de frequentie, amplitude en de fase van fotonen. In een recente studie, Mian Zhang en collega's ontwikkelden een fotonisch molecuul met twee verschillende energieniveaus, met behulp van gekoppelde lithiumniobaat microringresonatoren die kunnen worden bestuurd via externe microgolfexcitatie. De frequentie en fase van het licht kunnen nauwkeurig worden bediend door geprogrammeerde microgolfsignalen met behulp van canonieke systemen op twee niveaus, waaronder Autler-Townes-splitsing, grimmige verschuiving, Rabi-oscillatie en Ramsey-interferentieverschijnselen in de studie. Door een dergelijke coherente controle, de wetenschappers toonden on-demand optische opslag en ophalen door het fotonische molecuul opnieuw te configureren in een helder-donker-moduspaar. De dynamische controle van licht in een programmeerbaar en schaalbaar elektro-optisch systeem zal deuren openen voor toepassingen in microgolfsignaalverwerking, kwantumfotonische poorten in het frequentiedomein en om concepten in optisch computergebruik en in topologische fysica te verkennen.

De resultaten zijn nu gepubliceerd op Natuurfotonica , waar Zhang et al. de bestaande prestatieafweging overwonnen, om een ​​programmeerbaar fotonisch twee-niveausysteem te realiseren dat dynamisch kan worden bestuurd via gigahertz-microgolfsignalen. Om dit te bereiken, de wetenschappers creëerden een microgolf-adresseerbaar fotonisch molecuul met behulp van een paar geïntegreerde lithiumniobaat-microringresonatoren die dicht bij elkaar in een patroon waren geplaatst (straal 80 m). De gecombineerde effecten van laag optisch verlies, efficiënte co-integratie van optische golfgeleiders en microgolfelektroden maakte de gelijktijdige realisatie van een grote elektrische bandbreedte mogelijk (> 30GHz), sterke modulatie-efficiëntie en lange levensduur van het foton (~ 2 ns).

Een fotonisch analoog van een systeem met twee niveaus kan typisch het onderzoek van complexe fysieke verschijnselen in materialen vergemakkelijken, elektronica en optica. Dergelijke systemen dragen belangrijke functies over, inclusief unieke on-demand opslag en ophalen van fotonen, coherente optische frequentieverschuiving en optische kwantuminformatieverwerking bij kamertemperatuur. Voor dynamische besturing van fotonische systemen met twee niveaus, elektro-optische methoden zijn bij uitstek geschikt vanwege hun snelle respons, programmeerbaarheid en mogelijkheid tot grootschalige integratie.

Voor elektro-optische besturing van een systeem met twee niveaus, de levensduur van het foton van elke energietoestand moet langer zijn dan de tijd die nodig is om het systeem van de ene toestand naar de andere te sturen. Conventionele geïntegreerde fotonische platforms hebben tot nu toe niet voldaan aan de eisen van een tegelijkertijd lange levensduur van het foton en snelle modulatie. Elektrisch actieve fotonische platforms (op basis van silicium, grafeen en andere polymeren), snelle elektro-optische modulatie bij gigahertz-frequenties mogelijk maken, maar lijden aan een kortere foton-levensduur. Echter, puur elektrische tuning is nog steeds zeer wenselijk, aangezien smalbandige microgolfsignalen veel betere controle bieden met minimale ruis en schaalbaarheid.

In hun werk, Zhang et al. toonde aan dat optische transmissie van het fotonische molecuul gemeten met een telecomgolflengtelaser, ondersteund een paar goed gedefinieerde optische energieniveaus. De vluchtige koppeling van licht van de ene resonator naar de andere werd mogelijk gemaakt door een opening van 500 nm tussen de microringresonatoren om de twee goed opgeloste optische energieniveaus te vormen. De wetenschappers onderzochten de analogie tussen een atomair en fotonisch systeem op twee niveaus om de controle over het fotonische molecuul aan te tonen.

In de experimenten, licht van de afstembare telecomgolflengtelaser werd gelanceerd in de lithiumniobaatgolfgeleiders en daaruit verzameld via een paar optische vezels met lenzen. De wetenschappers gebruikten een willekeurige golfvormgenerator om microgolfstuursignalen te bedienen voordat ze naar elektrische versterkers werden gestuurd. De efficiënte overlap tussen microgolven en optische velden die in het systeem werden waargenomen, maakte een hogere afstemmings- / modulatie-efficiëntie mogelijk dan die eerder werden waargenomen met bulk-elektro-optische systemen. Een dergelijke coherente microgolf-naar-optische conversie kan elektronische kwantumprocessen en geheugens koppelen via optische telecommunicatie met weinig verlies, voor toepassingen in toekomstige kwantuminformatienetwerken.

Zhang et al. next gebruikte een coherent microgolfveld met continue golven om een ​​fotonisch systeem met twee niveaus te besturen. In dit systeem, het aantal fotonen dat elk van de twee niveaus kon bevolken, was niet beperkt tot één. De splitsingsfrequentie van het systeem werd nauwkeurig geregeld tot enkele gigahertz door de amplitude van de microgolfsignalen te regelen. Het effect werd gebruikt om de effectieve koppelingssterkte tussen de energieniveaus van het fotonische molecuul te regelen. Coherente spectrale dynamiek in het fotonische molecuul werd onderzocht voor een verscheidenheid aan microgolfsterkten toegepast op het fotonische twee-niveausysteem. De wetenschappers beschreven ook de gecontroleerde amplitude en fase van het systeem met behulp van Rabi-oscillatie en Ramsey-interferentie, tijdens het gebruik van Bloch-bollen / geometrische representaties van het fotonische energiesysteem op twee niveaus om de verschijnselen weer te geven.

Het werk maakte gecontroleerd schrijven en lezen van licht in een resonator mogelijk, van een externe golfgeleider om on-demand fotonopslag en -ontvangst te bereiken, een cruciale taak voor optische signaalverwerking. Om dit experimenteel te vergemakkelijken, Zhang et al. een grote DC-biasspanning (15 V) toegepast om het dubbele ringsysteem opnieuw te configureren in een paar heldere en donkere modi. In de opstelling, de modus gelokaliseerd in de eerste ring gaf toegang tot de optische golfgeleiders en werd optisch helder (heldere modus). De andere modus was gelokaliseerd in de tweede ring die geometrisch was ontkoppeld van de optische ingangsgolfgeleider om optisch donker te worden. Overeenkomstig, de wetenschappers toonden coherente en dynamische controle aan van een fotonisch molecuul op twee niveaus met microgolfvelden en on-demand fotonopslag / -ontvangst door middel van nauwgezette experimenten in het onderzoek. Het werk opent de weg naar een nieuwe vorm van controle over fotonen. De resultaten zijn een eerste stap met mogelijk onmiddellijke toepassingen in signaalverwerking en kwantumfotonica.

De ontwerpparameters van de gekoppelde resonatoren bieden ruimte om de dynamische besturing van fotonische systemen op twee en meerdere niveaus te onderzoeken, wat leidt tot een nieuwe klasse van fotonische technologieën. De wetenschappers voorzien dat deze bevindingen zullen leiden tot vooruitgang in topologische fotonica, geavanceerde fotonische berekeningsconcepten en on-chip frequentiegebaseerde optische kwantumsystemen in de nabije toekomst.

© 2018 Wetenschap X Netwerk