Molecola fotonica controllata da microonde. a) La molecola fotonica è realizzata da una coppia di risonatori ottici a microanello accoppiati identici (frequenza di risonanza ω1=ω2). Il sistema ha due distinti livelli di energia:una modalità ottica simmetrica e una antisimmetrica (indicata qui dall'ombreggiatura blu/blu per la modalità simmetrica e rosso/blu per la modalità antisimmetrica) che sono spazialmente sfasate di . Il campo a microonde può interagire coerentemente con il sistema a due livelli attraverso il forte effetto Pockels (χ(2)) del niobato di litio. b) Immagine al microscopio elettronico a scansione in falsi colori dei risonatori a microanello accoppiati. c) Spettro di trasmissione misurato del sistema fotonico a due livelli. I due modi ottici sono separati da 2μ= 2π× 7 GHz con larghezze di riga di γ= 2π× 96 MHz corrispondenti a un fattore di qualità ottica caricato di 1,9 × 106. d) Gli spettri di trasmissione risultanti da uno spettro d.c. applicato. mostra una curva di anti-crossing dovuta all'accoppiamento ottico finito tra i due anelli, che è analogo al d.c. Effetto Stark in un sistema canonico a due livelli. NT, trasmissione normalizzata. Credito:fotonica della natura, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
I sistemi fisici con livelli energetici discreti sono onnipresenti in natura e costituiscono gli elementi costitutivi fondamentali della tecnologia quantistica. In precedenza è stato dimostrato che i sistemi artificiali simili ad atomi e molecole regolano la luce per un controllo coerente e dinamico della frequenza, ampiezza e fase dei fotoni. In un recente studio, Mian Zhang e colleghi hanno progettato una molecola fotonica con due distinti livelli di energia, utilizzando risonatori a micro-anello di niobato di litio accoppiati che potrebbero essere controllati tramite eccitazione a microonde esterna. La frequenza e la fase della luce potrebbero essere gestite con precisione da segnali a microonde programmati utilizzando sistemi canonici a due livelli per includere la suddivisione Autler-Townes, cambiamento netto, Oscillazione di Rabi e fenomeni di interferenza di Ramsey nello studio. Attraverso tale controllo coerente, gli scienziati hanno mostrato l'archiviazione e il recupero ottici su richiesta riconfigurando la molecola fotonica in una coppia di modalità luminoso-buio. Il controllo dinamico della luce in un sistema elettro-ottico programmabile e scalabile aprirà le porte per applicazioni nell'elaborazione del segnale a microonde, porte fotoniche quantistiche nel dominio della frequenza e per esplorare concetti nel calcolo ottico e nella fisica topologica.
I risultati sono ora pubblicati su Fotonica della natura , dove Zhang et al. superato il trade-off di prestazioni esistente, realizzare un sistema fotonico programmabile a due livelli che può essere controllato dinamicamente tramite segnali a microonde gigahertz. Per realizzare questo, gli scienziati hanno creato una molecola fotonica indirizzabile a microonde utilizzando una coppia di risonatori integrati a micro-anello di niobato di litio disposti vicini l'uno all'altro (raggio di 80 μm). Gli effetti combinati di una bassa perdita ottica, l'efficiente co-integrazione di guide d'onda ottiche ed elettrodi a microonde ha permesso la realizzazione simultanea di un'ampia larghezza di banda elettrica (> 30GHz), forte efficienza di modulazione e lunga durata dei fotoni (~2 ns).
Un analogo fotonico di un sistema a due livelli può tipicamente facilitare l'indagine di complessi fenomeni fisici nei materiali, elettronica e ottica. Tali sistemi veicolano importanti funzioni, tra cui l'archiviazione e il recupero di fotoni unici su richiesta, spostamento di frequenza ottico coerente ed elaborazione dell'informazione quantistica ottica a temperatura ambiente. Per il controllo dinamico di sistemi fotonici a due livelli, i metodi elettro-ottici sono ideali per la loro risposta rapida, programmabilità e possibilità di integrazione su larga scala.
Dettagli sul dispositivo e sulla configurazione sperimentale. a) Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) dello spazio tra i risonatori a microanello accoppiati. b) Sezione trasversale del profilo del modo ottico nel risonatore ad anello. c) Immagine del microanello del dispositivo completo che mostra il doppio anello e gli elettrodi a microonde. d) Immagine SEM dell'array di dispositivi a doppio anello fabbricati su un singolo chip. Credito:fotonica della natura, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Per il controllo elettro-ottico di un sistema a due livelli, il tempo di vita dei fotoni di ogni stato energetico deve essere maggiore del tempo necessario al sistema per passare da uno stato all'altro. Finora le piattaforme fotoniche integrate convenzionali non hanno soddisfatto i requisiti di una lunga durata dei fotoni e di una modulazione rapida contemporaneamente. Piattaforme fotoniche elettricamente attive (basate su silicio, grafene e altri polimeri), consentono una rapida modulazione elettro-ottica a frequenze gigahertz ma soffrono di tempi di vita dei fotoni più brevi. Però, la pura sintonizzazione elettrica è ancora altamente desiderabile, poiché i segnali a microonde a banda stretta offrono un controllo molto migliore con rumore e scalabilità minimi.
Nel loro lavoro, Zhang et al. ha mostrato che la trasmissione ottica della molecola fotonica misurata utilizzando un laser a lunghezza d'onda delle telecomunicazioni, supportava una coppia di livelli di energia ottica ben definiti. L'accoppiamento evanescente della luce da un risonatore all'altro è stato consentito attraverso uno spazio di 500 nm tra i risonatori a micro-anello per formare i due livelli di energia ottica ben risolti. Gli scienziati hanno esplorato l'analogia tra un sistema atomico e fotonico a due livelli per dimostrare il controllo della molecola fotonica.
Configurazione sperimentale estesa. Il dispositivo è pompato otticamente da un laser per telecomunicazioni sintonizzabile centrato intorno a 1630 nm. La luce viene inviata attraverso un modulatore elettro-ottico esterno e controllori di polarizzazione (PLC) prima di accoppiarsi al chip con una fibra ottica. Il segnale ottico in uscita, anche accoppiato con una fibra ottica viene inviato a un fotorilevatore a 12 GHz. Il segnale elettrico convertito viene diretto a un oscilloscopio. I segnali di controllo a microonde sono generati da un generatore di onde arbitrarie (AWG) e amplificati prima di essere inviati al dispositivo. Un bias T viene utilizzato per consentire il controllo DC sui microrisonatori. Un isolatore elettrico viene utilizzato per catturare la riflessione elettrica dai microrisonatori. L'oscilloscopio, i segnali di azionamento del dispositivo e i segnali di azionamento del modulatore sono tutti sincronizzati. Credito:fotonica della natura, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Negli esperimenti, la luce del laser a lunghezza d'onda sintonizzabile delle telecomunicazioni è stata lanciata nelle guide d'onda di niobato di litio e raccolta da esse tramite una coppia di fibre ottiche con lenti. Gli scienziati hanno utilizzato un generatore di forme d'onda arbitrarie per azionare i segnali di controllo delle microonde prima di inviarli agli amplificatori elettrici. L'efficiente sovrapposizione tra microonde e campi ottici osservata nel sistema ha consentito una maggiore efficienza di sintonizzazione/modulazione rispetto a quelle precedentemente osservate con sistemi elettro-ottici di massa. Tale conversione coerente da microonde a ottica può collegare processi quantistici elettronici e memorie tramite telecomunicazioni ottiche a bassa perdita, per applicazioni nelle future reti di informazione quantistica.
Zhang et al. successivamente utilizzò un campo a microonde coerente ad onda continua per controllare un sistema fotonico a due livelli. In questo sistema, il numero di fotoni che potevano popolare ciascuno dei due livelli non era limitato a uno. La frequenza di divisione del sistema è stata controllata con precisione fino a diversi gigahertz controllando l'ampiezza dei segnali a microonde. L'effetto è stato utilizzato per controllare l'effettiva forza di accoppiamento tra i livelli di energia della molecola fotonica. La dinamica spettrale coerente nella molecola fotonica è stata studiata per una varietà di intensità delle microonde applicate al sistema fotonico a due livelli. Gli scienziati hanno anche descritto l'ampiezza e la fase controllate del sistema utilizzando l'oscillazione Rabi e l'interferenza di Ramsey, mentre si utilizzano sfere di Bloch/rappresentazioni geometriche del sistema energetico fotonico a due livelli per rappresentare i fenomeni.
Guide d'onda fotoniche vestite a microonde. a) Quando la frequenza delle microonde applicata è sintonizzata in modo che corrisponda alla separazione della modalità, l'accoppiamento dissipativo porta i due livelli fotonici a suddividersi in quattro livelli. Questo effetto è analogo alla scissione Autler-Townes. Quando il microonde è desintonizzato lontano dalla divisione in modalità fotonica, i livelli di energia fotonica subiscono un effetto dispersivo, portando ad uno spostamento dei livelli fotonici. Questo effetto è analogo a c.a. Cambiamenti netti. b) scissione di Autler-Townes misurata nella molecola fotonica, dove la scissione può essere accuratamente controllata dall'ampiezza del segnale a microonde applicato. c) Fotonica misurata in c.a. Spostamenti netti per un segnale a microonde a 4.5 GHz. Credito:fotonica della natura, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
Il lavoro ha permesso la scrittura controllata e la lettura della luce in un risonatore, da una guida d'onda esterna per ottenere l'archiviazione e il recupero di fotoni su richiesta, un compito critico per l'elaborazione del segnale ottico. Per facilitare questo sperimentalmente, Zhang et al. applicato una grande tensione di polarizzazione CC (15 V) per riconfigurare il sistema a doppio anello in una coppia di modalità luminose e scure. Nella configurazione, il modo localizzato nel primo anello dava accesso alle guide d'onda ottiche e diventava otticamente brillante (modo luminoso). L'altro modo è stato localizzato nel secondo anello che è stato geometricamente disaccoppiato dalla guida d'onda ottica in ingresso per diventare otticamente scuro. Di conseguenza, gli scienziati hanno dimostrato un controllo coerente e dinamico di una molecola fotonica a due livelli con campi a microonde e memorizzazione/recupero di fotoni su richiesta attraverso meticolosi esperimenti nello studio. Il lavoro apre la strada a una nuova forma di controllo sui fotoni. I risultati sono un passo iniziale con applicazioni potenzialmente immediate nell'elaborazione del segnale e nella fotonica quantistica.
Archiviazione e recupero della luce su richiesta utilizzando una modalità oscura fotonica. a) La molecola fotonica è programmata per produrre modalità luminose e scure localizzate. Di conseguenza, è possibile accedere alla modalità luminosa dalla guida d'onda ottica, mentre la modalità oscura non può (proibita dalla geometria). b) Un campo a microonde applicato al sistema può indurre un efficace accoppiamento tra i modi luminoso e scuro, indicato dall'incrocio evitato nello spettro di trasmissione ottica. c) La luce può essere memorizzata e recuperata utilizzando la coppia di modalità chiaro-scuro e il controllo a microonde. È possibile applicare un impulso a microonde per trasferire la luce dalla modalità luminosa a quella scura. Quando il microonde è spento, la luce è limitata da qualsiasi accoppiamento di guida d'onda esterna. Dopo un certo tempo di conservazione desiderato, un secondo impulso a microonde recupera la luce dalla modalità scura a quella luminosa. , i e γex sono i tempi di vita del modo ottico luminoso, smorzamento intrinseco e tasso di accoppiamento della guida d'onda, rispettivamente. d) La luce recuperata dalla modalità oscura misurata a diversi ritardi temporali, mostrato dalle tracce dall'alto verso il basso con un incremento di ritardo di 0,5 ns. Riquadro:l'intensità estratta della luce recuperata mostra quasi il doppio della durata della modalità luminosa ad accoppiamento critico. Le barre di errore mostrano l'incertezza nella lettura dell'intensità ottica. MW, microonde; NT, trasmissione normalizzata; a.u., unità arbitrarie. Credito:fotonica della natura, doi:https://doi.org/10.1038/s41566-018-0317-y
I parametri di progettazione dei risonatori accoppiati forniscono lo spazio per studiare il controllo dinamico di sistemi fotonici a due e multi-livello, portando a una nuova classe di tecnologie fotoniche. Gli scienziati prevedono che questi risultati porteranno a progressi nella fotonica topologica, concetti avanzati di calcolo fotonico e sistemi quantistici ottici basati sulla frequenza su chip nel prossimo futuro.
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