I circolatori sono componenti importanti nella tecnologia della comunicazione. Il loro modo unico di instradare la luce di solito richiede magneti di dimensioni centimetriche, difficili da miniaturizzare per l'uso su chip ottici. I ricercatori di AMOLF e dell'Università del Texas hanno aggirato questo problema con un anello di vetro vibrante che interagisce con la luce. Hanno quindi creato un circolatore in microscala che indirizza la luce in modo direzionale su un chip ottico senza utilizzare magneti. I ricercatori hanno pubblicato il loro lavoro in Comunicazioni sulla natura il 4 maggio 2018.

I circolatori consentono la trasmissione di informazioni senza perdite tra più di due nodi di una rete, motivo per cui sono ampiamente utilizzati nelle reti ottiche. I circolatori hanno diverse porte di ingresso e uscita tra le quali convogliano la luce in modo speciale:la luce che entra in un determinato porto è costretta ad uscire in un secondo porto, ma la luce che entra in quel secondo porto esce in un terzo porto, e così via.

"La propagazione della luce è di natura simmetrica, il che significa che se la luce può propagarsi da A a B, il percorso inverso è ugualmente possibile. Abbiamo bisogno di un trucco per rompere la simmetria, ", afferma il leader del gruppo AMOLF Ewold Verhagen. "Di solito questo trucco consiste nell'utilizzare magneti di dimensioni centimetriche per impartire direzionalità e rompere la natura simmetrica della propagazione della luce. Tali sistemi sono difficili da miniaturizzare per l'uso su chip fotonici".

Verhagen e i suoi colleghi hanno creato un comportamento circolante utilizzando un risonatore ad anello di vetro su microscala con un trucco diverso. Permettono alla luce nell'anello di interagire con le vibrazioni meccaniche dell'anello. I ricercatori hanno utilizzato questo principio in lavori precedenti per dimostrare la trasmissione ottica unidirezionale. "Facendo brillare la luce di un laser di 'controllo' sul ring, la luce di un colore diverso può eccitare vibrazioni attraverso una forza nota come pressione di radiazione, ma solo se si propaga nella stessa direzione dell'onda luminosa di controllo, " Spiega Verhagen. "Poiché la luce si propaga in modo diverso attraverso una struttura vibrante rispetto a una struttura ferma, la forza ottica rompe la simmetria nello stesso modo in cui farebbe un campo magnetico."

Rotonda per la luce

Trasformare la "strada a senso unico per la luce" in un'utile "rotonda" ottica non è stato così semplice come potrebbe sembrare, come sottolinea il postdoc John Mathew:"La sfida è dettare l'uscita particolare verso la quale la luce può essere indirizzata, in modo che prenda sempre il porto successivo."

I ricercatori hanno trovato la soluzione nell'interferenza ottica. Un attento controllo dei percorsi ottici nella struttura assicura che la luce proveniente da ciascun ingresso interferisca in modo costruttivo nell'esatta uscita corretta. "Abbiamo dimostrato questa circolazione in esperimenti, e ha mostrato che può essere sintonizzato attivamente. La frequenza e la potenza del laser di controllo consentono di attivare e disattivare la circolazione e cambiare la manualità, "dice Matteo.

Reti di informazione

La "rotonda" AMOLF per la luce è in realtà la prima senza magneti, circolatore ottico su chip. Sebbene la ricerca sia di natura fondamentale, ha molte possibili applicazioni. Verhagen:"Dispositivi come questo potrebbero formare elementi costitutivi per chip che utilizzano la luce invece degli elettroni per trasportare informazioni, così come per i futuri computer quantistici e reti di comunicazione. Il fatto che il circolatore possa essere controllato attivamente fornisce funzionalità aggiuntive in quanto i circuiti ottici possono essere riconfigurati a piacimento."