Circuiti fotonici integrati, che si basano sulla luce piuttosto che sugli elettroni per spostare le informazioni, promettono di rivoluzionare le comunicazioni, rilevamento e trattamento dei dati. Ma controllare e muovere la luce pone serie sfide. Uno dei principali ostacoli è che la luce viaggia a velocità diverse e in fasi diverse in diversi componenti di un circuito integrato. Affinché la luce si accoppi tra i componenti ottici, deve muoversi con lo stesso slancio.

Ora, un team di ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, in collaborazione con l'Università di Pechino a Pechino, ha dimostrato un nuovo modo per controllare l'impulso della luce a banda larga in un componente ottico ampiamente utilizzato noto come microcavità a galleria di sussurro (WGM).

La carta, i cui coautori includono anche ricercatori della Washington University di Saint Louis, il California Institute of Technology, e l'Università di Magdeburgo, è pubblicato in Scienza .

"Il caos ottico a banda larga nella microcavità sta creando uno strumento universale per accedere a molti stati ottici, " disse Linbo Shao, uno studente laureato nel laboratorio di Marko Loncar, il Professore di Ingegneria Elettrica di Tiantsai Lin, at SEAS e co-primo autore dell'articolo. "In precedenza, i ricercatori hanno bisogno di più elementi ottici speciali per accoppiare la luce in entrata e in uscita dai WGM a diverse lunghezze d'onda, ma con questo lavoro possiamo accoppiare tutte le luci colorate con un singolo accoppiatore ottico."

Un WGM è un tipo di microrisonatore ottico utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni, dalla trasmissione a lungo raggio in fibre ottiche all'informatica quantistica. I WGM prendono il nome dalle gallerie sussurrate della Cattedrale di St. Paul a Londra, dove un'onda acustica (un sussurro) circola all'interno di una cavità (la cupola) da un altoparlante da un lato a un ascoltatore dall'altro. Fenomeni simili si verificano nell'Echo Wall nel Tempio del Cielo in Cina e nell'arco sussurrante nella Grand Central Station di New York City.

Le gallerie sussurrate ottiche funzionano più o meno allo stesso modo. Onde luminose intrappolate in un ambiente altamente confinato, spazio circolare, più piccolo di una ciocca di capelli, orbita intorno all'interno della cavità. Come il muro sussurrante, la cavità intrappola e trasporta l'onda.

Però, è difficile accoppiare i campi ottici dalle guide d'onda ai campi ottici nelle gallerie sussurranti nei circuiti fotonici perché le onde viaggiano a velocità diverse.

Pensa a un WGM come una rotonda autostradale e campi ottici come camion UPS. Ora, immagina di provare a trasferire un pacco tra due camion mentre entrambi si muovono a velocità diverse. Impossibile, Giusto?

Per risolvere questa differenza di quantità di moto, senza infrangere la legge di conservazione della quantità di moto di Newton, il team di ricerca ha creato un piccolo caos. Deformando la forma del microrisonatore ottico, i ricercatori sono stati in grado di creare e sfruttare i cosiddetti canali caotici, in cui il momento angolare della luce non si conserva e può cambiare nel tempo. Alternando la forma del risonatore, lo slancio può essere sintonizzato; il risonatore può essere progettato per abbinare lo slancio tra guide d'onda e WGM. È importante sottolineare che l'accoppiamento è a banda larga e avviene tra stati ottici che altrimenti non si accoppierebbero.

La ricerca fornisce nuove applicazioni per l'ottica e la fotonica delle microcavità nell'elaborazione quantistica ottica, archiviazione ottica e altro ancora.

"Il lavoro illustra un approccio fondamentalmente diverso per sondare questa importante classe di microrisonatori, rivelando anche una bella fisica relativa al tema del caos ottico, "ha detto Kerry Vahala, il professore di scienze e tecnologie dell'informazione Ted e Ginger Jenkins e professore di fisica applicata al Cal Tech, che non è stato coinvolto in questa ricerca.

Prossimo, il team esplorerà la fisica del caos ottico in altre piattaforme e materiali ottici, compresi cristalli fotonici e diamanti.