Modusregeling is essentieel voor optische communicatie en gegevensverwerkingstechnologieën. Of het nu gaat om verbindingen en schakelaars in datatransmissielijnen of een soort niet-wederkerig apparaat voor optische circuits, het vermogen om te controleren, bijvoorbeeld, of de uitvoermodus even of oneven zal zijn voor een bepaalde invoermodus is van cruciaal belang. Nutsvoorzieningen, onderzoekers in China en Canada hebben aangetoond hoe een efficiënte overdracht van optische modi kan worden bereikt in compactere apparaten dan voorheen mogelijk was door gebruik te maken van "uitzonderlijke punten" met nieuwe mobiele eigenschappen.

"Het is altijd een uitdaging om dergelijke apparaten te realiseren met een minimaal volume, laag toevoegingsverlies, en hoge efficiëntie, " legt Bing Wang uit, een onderzoeker bij het Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie in China, en de hoofdauteur van het rapport van deze laatste resultaten. Om de uitdaging aan te gaan, hij en medewerkers van het Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan Instituut voor Technologie, het Chinese Academy of Sciences Center for Excellence in Ultra-Intense Laser Science in Shanghai en de University of Ottawa onderzochten het gedrag van "uitzonderlijke punten" - een wiskundig concept dat recentelijk belangstelling heeft gewekt voor microgolf- en optisch geleide systemen vanwege de mogelijke modusoverdracht met de topologische eigenschappen die ze beschrijven.

Echter, eerdere pogingen om uitzonderlijke punten in apparaten voor modusoverdracht te exploiteren, werden belemmerd door beperkingen voor het optimaliseren van de efficiëntie en transmissie van modusoverdracht, wat onvermijdelijk resulteert in lange golfgeleiders die niet geschikt zijn voor compactere toepassingen. Voor de eerste keer, Wang en zijn medewerkers overwogen de mogelijkheid van uitzonderlijke punten die zouden kunnen bewegen. Hierdoor konden ze een hoge overdrachtsefficiëntie en transmissie in een veel kortere golfgeleider bereiken.

Wat is een uitzonderlijk punt?

Een variëteit beschrijft een topologische ruimte die plaatselijk lijkt op de Euclidische ruimte op elk punt. In echte eendimensionale ruimte, dit kunnen lijnen of cirkels zijn, maar geen acht, omdat het kruispunt niet in de Euclidische ruimte zou worden gevonden. Complexe getallen omvatten reële en imaginaire delen, waarbij het denkbeeldige deel evenredig is met de vierkantswortel van 1 en vaak wordt gebruikt om dempingsgedrag in fysieke systemen te beschrijven. Door de twee componenten een eendimensionaal complex spruitstuk wordt gepresenteerd als een vlak dat een Riemann-oppervlak wordt genoemd, die eigenwaarden van de energie van een bepaalde modus in een systeem met dissipatie zou kunnen vertegenwoordigen. Het uitzonderlijke punt is de vertakkende singulariteit waar twee modi samenkomen, en dit is de topologische eigenschap die modusoverdracht in het systeem mogelijk maakt.

Wang en collega's vervaardigden golfgeleiders met twee roosters geëtst in silicium op siliciumoxide. De golvingen aan de roosterranden beïnvloeden het effectieve verlies van het systeem. Als plots van de roosterbreedte en roosterscheiding de coördinaten van het uitzonderlijke punt omcirkelen, modusoverdracht plaatsvindt, dus een oneven of even modusinvoer resulteert in een oneven of even modusuitvoer, afhankelijk van de systeemparameters. Echter, ofwel bevindt het uitzonderlijke punt zich in de buurt van het ingangseinde van de golfgeleider, zodat de eigenwaarden het gemakkelijk omcirkelen voor een efficiënte modusoverdracht, maar de transmissie is laag vanwege het hoge verlies van het systeem. Alternatief, het uitzonderlijke punt ligt ver van de ingang van de golfgeleider, zodat de efficiëntie van de modusoverdracht in het gedrang komt, tenzij de golfgeleider veel langer is.

Verhuizen naar de groove

Wang en collega's hebben de wisselwerking tussen de lengte van de golfgeleider en de prestaties omzeild door de breedte en scheiding van de roosters te variëren, waardoor de uitzonderlijke punten konden bewegen. "Het verplaatsen van uitzonderlijke punten is een conceptuele doorbraak omdat ze oorspronkelijk werden beschouwd in een tweedimensionale parameterruimte, " legt Wang uit, die zelf verbaasd was over hoe de aanpak werkte.

In feite, hij en zijn collega's waren gefocust op het verminderen van het verlies met stabiele uitzonderlijke punten door de roosterribbels van de golfgeleiders te veranderen. "Op deze manier, echter, we merkten dat het uitzonderingspunt niet langer vaststaat, Wang vertelt phys.org. Nadat hij de theorie had ontwikkeld om het effect te verklaren, ze konden hun resultaten bevestigen met numerieke simulaties.

Ze verwachten dat het effect nuttig zal zijn voor optische converters, koppelingen, filters en schakelaars in geïntegreerde apparaten, evenals breedband optische isolatoren en circulatiepompen, die een elektronisch-achtige richtingsbias naar optische circuits brengen. Ze vinden ook dat het van toepassing moet zijn op akoestische en materiegolven.

Volgende, ze zijn van plan om de uitzonderlijke punten in realtime te manipuleren. LiNbO ₃ heeft een sterk elektro-optisch effect, zodat ze de effectieve permittiviteit van de golfgeleider konden manipuleren door een extern elektrisch veld te veranderen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk