I ricercatori hanno dimostrato la prima cavità laser in grado di confinare e propagare la luce in qualsiasi forma immaginabile, anche percorsi con curve e angoli acuti. La nuova cavità, detta cavità topologica, potrebbe consentire ai componenti laser di essere imballati più densamente su un chip, portando a tecnologie di comunicazione ottica più veloci che possono essere fabbricate in modo efficiente e scalabile utilizzando tecniche di integrazione fotonica.

Questo articolo sarà pubblicato online dalla rivista Scienza di giovedì, 12 ottobre, 2017.

"Il nostro obiettivo è superare i limiti fondamentali dei dispositivi ottici e scoprire nuovi principi fisici che possano consentire ciò che prima si pensava impossibile, " disse Boubacar Kanté, un professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC San Diego e autore senior dello studio.

Nella maggior parte dei laser convenzionali, la cavità laser deve avere una forma curva regolare, tipicamente un anello, affinché le onde luminose si propaghino e rimangano nella cavità. Se la cavità ha una curva brusca, parte di quella luce si disperde e si perde. Ecco perché, Per esempio, le fibre ottiche non possono presentare attorcigliamenti o piegature.

"Quando cambi la forma della cavità, cambi il modo in cui la luce è confinata in quella cavità, " disse Babak Bahari, un dottorato di ricerca in ingegneria elettrica. studente alla UC San Diego e il primo autore del documento.

Non essere in grado di modificare la forma della cavità limita anche il numero di componenti che possono essere integrati in un chip fotonico. "Se possiamo deformare la forma della cavità, possiamo facilmente inserirlo in qualsiasi area di un chip senza interrompere o spostare altri componenti. Questo ci darebbe più libertà nella progettazione dei componenti del chip e nel renderli più densi, dispositivi più potenti, " disse Kanté.

Ora, Kanté, Bahari e colleghi hanno introdotto un modo per realizzare cavità laser di forme arbitrarie senza modificarne le proprietà.

Hanno creato una struttura composta da due cristalli fotonici, uno che circonda il perimetro dell'altro. Il cristallo all'interno è cresciuto dagli stessi materiali del cristallo che lo circonda, ma sono ciò che è noto come topologicamente diverso:possono essere descritti come aventi un numero diverso di buchi, come un bagel (un foro) contro un pretzel (tre fori). I cristalli mostrano anche una proprietà in cui possono entrambi condurre la stessa lunghezza d'onda della luce all'esterno mentre agiscono come isolanti all'interno. Mettendo insieme questi cristalli, i ricercatori hanno creato una cavità in cui le onde luminose possono propagarsi all'interfaccia tra i cristalli.

I ricercatori la chiamano cavità topologica. non è uno spazio, ma il confine dove si incontrano due materiali topologicamente diversi, ha sottolineato Kanté. Questa cavità può essere di qualsiasi forma:triangolo, quadrato, un anello con bordi frastagliati e la luce può circolare all'interno di quella forma senza disperdersi.

Per dimostrare la capacità laser del loro dispositivo, i ricercatori hanno prima accoppiato una guida d'onda alla cavità. Quindi hanno energizzato i cristalli con la luce di un laser ad alta potenza e hanno applicato un campo magnetico. Utilizzando una telecamera a infrarossi, hanno osservato il loro dispositivo emettere un raggio laser a bassa frequenza a 1,55 micrometri, una lunghezza d'onda comune per le telecomunicazioni.

Un'altra caratteristica degna di nota è che questo dispositivo ha una modalità laser non reciproca, il che significa che il raggio laser può viaggiare solo in una direzione. Questo non è il caso della maggior parte dei laser esistenti, che necessitano di un dispositivo chiamato isolatore da posizionare davanti alla sorgente ed evitare che il raggio laser rientri e potenzialmente distrugga la cavità. Gli isolatori sono generalmente dispositivi di grandi dimensioni e il nuovo lavoro potrebbe quindi eliminarne la necessità in futuro, disse Kanté.

"Questa nuova funzionalità ci consente di realizzare un laser autoprotetto, " ha detto Bahari.

Andando avanti, il team spera di creare un dispositivo alimentato elettricamente, che lo renderebbe più pratico. Kanté sta anche pianificando di esplorare ulteriormente la fisica fondamentale delle cavità topologiche. È particolarmente interessato a studiare quanto densamente tali cavità possono essere impacchettate su un chip. Questi studi potrebbero essere importanti per l'elaborazione delle informazioni quantistiche e potrebbero superare i limiti di efficienza fondamentali dei sistemi attuali, Egli ha detto.