I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno dimostrato un nuovo livello di isolamento ottico necessario per far progredire l'elaborazione del segnale ottico su chip. La tecnica che coinvolge l'interazione luce-suono può essere implementata in quasi tutti i processi di fonderia fotonica e può avere un impatto significativo sui sistemi di comunicazione e di calcolo ottico.

"Gli isolatori ottici a bassa perdita sono componenti critici per l'instradamento e la protezione del segnale, ma la loro integrazione su scala di chip nei circuiti fotonici non è ancora pratica. Gli isolatori agiscono come diodi ottici consentendo alla luce di passare attraverso un senso mentre la bloccano nella direzione opposta, " ha spiegato Gaurav Bahl, un assistente professore di scienze meccaniche e ingegneria all'Illinois. "In questo studio, abbiamo dimostrato che l'isolamento ottico completo può essere ottenuto all'interno di qualsiasi guida d'onda dielettrica utilizzando un approccio molto semplice, e senza l'uso di magneti o materiali magnetici."

Le caratteristiche chiave degli isolatori ottici ideali sono che dovrebbero consentire la luce con perdita zero unidirezionale, assorbendo perfettamente la luce nella direzione opposta, cioè la condizione di isolamento 'completo'. Gli isolatori ideali dovrebbero anche avere un'ampia larghezza di banda e devono essere lineari, cioè la lunghezza d'onda del segnale ottico non cambia attraverso il dispositivo e le proprietà sono indipendenti dalla potenza del segnale. Il metodo migliore, ad oggi, per ottenere un isolamento con queste caratteristiche è stato attraverso l'effetto di rotazione di Faraday magneto-ottico che si verifica in speciali materiali girotropici, per esempio. cristalli di granato. Sfortunatamente, questa tecnica si è rivelata difficile da implementare nella fotonica su scala di chip a causa della complessità di fabbricazione, difficoltà nel confinare localmente i campi magnetici, e notevoli perdite materiali. Alla luce di questa sfida, diverse alternative non magnetiche per rompere la reciprocità sono state esplorate sia teoricamente che sperimentalmente.

In uno studio precedente, Il gruppo di ricerca di Bahl ha dimostrato sperimentalmente, per la prima volta, il fenomeno della Brillouin Scattering Induced Transparency (BSIT), in cui l'accoppiamento luce-suono può essere utilizzato per rallentare, accelerare, e bloccare la luce in una guida d'onda ottica.

"L'aspetto più significativo di quella scoperta è l'osservazione che BSIT è un fenomeno non reciproco:la trasparenza viene generata solo in un modo. Nell'altra direzione, il sistema assorbe ancora la luce, " ha detto Bahl. "Questo comportamento non reciproco può essere sfruttato per costruire isolatori e circolatori che sono strumenti indispensabili nel kit di strumenti di un progettista ottico".

"In questo lavoro, dimostriamo sperimentalmente un completo isolamento ottico lineare in un sistema risonatore a guida d'onda composto interamente da vetro di silice, spingendo l'interazione BSIT nel regime di accoppiamento forte, e sondare la trasmissione ottica attraverso la guida d'onda nelle direzioni avanti e indietro contemporaneamente, " ha dichiarato JunHwan Kim, uno studente laureato e primo autore del documento, "Isolamento ottico lineare completo su microscala con perdite ultrabasse, " che appare in Rapporti scientifici .

"Sperimentalmente, abbiamo dimostrato un isolatore lineare in grado di generare un record di 78,6 dB di contrasto per solo 1 dB di perdita di inserzione diretta all'interno della banda di isolamento, " J. Kim ha aggiunto. "Ciò significa che la luce che si propaga all'indietro è quasi 100 milioni di volte più soppressa rispetto alla luce nella direzione in avanti. Dimostriamo anche la riconfigurabilità ottica dinamica della direzione di isolamento."

"Attualmente l'effetto è stato dimostrato in una larghezza di banda ristretta. In futuro, si può anche avvicinare a un isolamento della larghezza di banda più ampio se la guida d'onda e il risonatore sono integrati sul chip, poiché i problemi meccanici rimanenti possono essere eliminati e le modalità di interazione possono essere progettate con precisione, " ha detto Bahl. "Raggiungere un isolamento ottico lineare completo attraverso interazioni opto-meccaniche come BSIT che si verificano in tutti i media, indipendentemente dalla cristallinità o amorficità, struttura materiale della fascia, polarizzazione magnetica, o presenza di guadagno, assicura che la tecnica possa essere implementata con quasi tutti i materiali ottici in quasi tutte le fonderie commerciali di fotonica".

Poiché evita campi magnetici o campi guida a radiofrequenza, questo approccio è particolarmente interessante per le tecnologie di microsistemi ad atomi freddi su scala chip, sia per l'isolamento che per l'oscuramento dei segnali ottici, e protezione laser su chip senza perdite.