Controllo ultrarapido dei microlaser quasi-BIC. (A) Schema di esperimenti di pompaggio a due fasci. Due fasci sono spazialmente desintonizzati con una distanza d <2R, essere spostato temporalmente con un tempo di ritardo . Gli inserti mostrano i modelli di emissione in campo lontano dalla metasuperficie di perovskite sotto eccitazioni simmetriche e asimmetriche. (B) Transizione da un microlaser BIC a un laser a polarizzazione lineare. io1, 2 sono le intensità nelle regioni contrassegnate nell'inserto in (A). I riquadri mostrano i profili delle travi corrispondenti. (C) Processo inverso di (B). (D) Transizione da un raggio a ciambella a un raggio a due lobi e ritorno in pochi picosecondi. Le curve rosse sono linee guida per il calcolo del tempo di transizione. Credito: Scienza (2020). DOI:10.1126/science.aba4597
L'interruttore completamente ottico è un tipo di dispositivo che controlla la luce con la luce, che è l'elemento fondamentale delle moderne comunicazioni ottiche e dell'elaborazione delle informazioni. Creare un efficiente, ultra veloce, e l'interruttore completamente ottico compatto è stato riconosciuto come il passo chiave per gli sviluppi dell'informatica ottica e quantistica di prossima generazione. In linea di principio, i fotoni non interagiscono tra loro direttamente nel regime lineare a bassa potenza, e di solito è necessaria una cavità per migliorare in modo risonante il campo della luce di controllo e aumentare l'interazione. Nei primi lavori, le prestazioni degli interruttori completamente ottici sono state migliorate rapidamente ottimizzando risonatori come microanelli o cristalli fotonici. Per ulteriori miglioramenti, l'area di ricerca raggiunge il limite:il compromesso tra consumo di energia ultrabasso e tempo di commutazione ultracorto.
"Il basso consumo energetico di solito richiede un elevato fattore Q del risonatore, considerando che la modalità high-Q di lunga durata costituisce un ostacolo al miglioramento della velocità di commutazione, ", ha affermato Qinghai Song dell'Harbin Institute of Technology, Cina. "Un approccio alternativo con la nanostruttura plasmonica è stato recentemente sfruttato per rompere il compromesso. La perdita di inserzione e propagazione è grande come 19 dB ed è necessario un consumo di energia aggiuntivo per amplificare i segnali".
Le azioni laser negli stati limitati topologicamente protetti nel continuum hanno il potenziale per risolvere alla fine questa sfida di vecchia data. In Scienza , ricercatori dell'Harbin Institute of Technology, L'Australian National University e la City University of New York descrivono in dettaglio la loro innovazione del meccanismo di commutazione negli stati limitati topologicamente protetti nel continuum (BIC), che offre una transizione ultraveloce dell'emissione di microlaser da un fascio di ciambella polarizzato radialmente a lobi polarizzati linearmente e viceversa. Il fattore Q estremamente elevato dei BIC può ridurre drasticamente la soglia del laser e alla fine rompere il compromesso di cui sopra negli interruttori completamente ottici convenzionali.
Il prossimo passo di questa ricerca è quello di integrare in cascata diversi di questi microlaser commutabili con un chip fotonico integrato e di eseguire operazioni di logica ottica. Questo è il prerequisito per l'obiettivo finale:l'informatica ottica o quantistica.
Utilizzo di BIC protetti dalla simmetria
Gli interruttori completamente ottici ultraveloci convenzionali utilizzano l'indice di rifrazione non lineare o l'assorbimento non lineare per produrre un bit ottico. Tali tecniche richiedono un'elevata fluenza di eccitazione per produrre uno spostamento della lunghezza d'onda o una perdita extra per modulare la trasmissione, ancora limitato dal trade-off.
I ricercatori risolvono questo problema con le caratteristiche ottiche dei BIC, che è stato inizialmente proposto da Von Neumann e Wigner in meccanica quantistica ed è stato recentemente rivisitato in ottica. Sebbene i BIC accidentali abbiano attirato la maggior parte dell'attenzione della ricerca a causa della sua robustezza, questa ricerca si concentra sulle emissioni laser dei BIC protetti dalla simmetria. Rispetto ai BIC accidentali, quest'ultimo è estremamente sensibile alle perturbazioni che rompono la simmetria. L'eccezionale guadagno di un sistema laser, corrispondente alla parte immaginaria dell'indice di rifrazione (n"), può essere un parametro nuovo ed efficace per il controllo ultraveloce della simmetria e le corrispondenti emissioni laser in campo lontano correlate alla simmetria presso i BIC.
Per testare il concetto, i ricercatori hanno fabbricato una nanostruttura periodica a reticolo quadrato in un MAPbBr 3 pellicola di perovskite e pompata otticamente. Il funzionamento del laser monomodale è stato ottenuto nei BIC protetti dalla simmetria. Il raggio laser in uscita è un raggio a ciambella in direzione verticale con un angolo di divergenza di 2o. Il test di polarizzazione e il modello di auto-interferenza mostrano che il raggio laser di emissione è polarizzato radialmente con momento angolare orbitale (OAM).
"L'emissione laser direzionale con OAM non è sorprendente, " ha detto Song. "È stato osservato e spiegato da B. Kante dell'UC Berkeley. Riguarda il vortice di polarizzazione ai BIC e il momento angolare di spin trasversale indotto dai campioni reali. Può essere realizzato anche con eccitazione ottica polarizzata circolarmente. Comparabile, il microlaser BIC è più intrigante nella commutazione completamente ottica."
I ricercatori mostrano che il profilo di pompaggio può controllare efficacemente i laser BIC. Aumentando parzialmente il guadagno ottico con il secondo raggio, la quadruplice simmetria rotazionale viene rotta e il laser BIC si degrada a un laser a cristalli fotonici convenzionale. Di conseguenza, il fascio ad anello transita verso due lobi polarizzati linearmente. Tale transizione e la sua inversione avvengono in un tempo di 1-1,5 ps. Anche una transizione completa da una ciambella a due lobi e di nuovo a una ciambella è stata realizzata entro 2-3 ps. Tale tempo di commutazione è più di un ordine di grandezza più veloce della durata del microlaser BIC, dimostrando chiaramente che la limitazione della durata del laser al tempo di commutazione è infranta.
"Un tale controllo ultraveloce è attribuito alle caratteristiche di campo lontano dei BIC, " ha detto Song. "I BIC sono formati da interferenze distruttive nei canali di radiazione. Considerando la radiazione in campo lontano, il passaggio dai microlaser BIC ai laser convenzionali rappresenta una ridistribuzione dell'emissione laser invece di un'accensione/spegnimento diretto della modalità laser."
La soglia del laser è di circa 4,2 mW/cm 2 , dando un consumo di energia per bit simile agli attuali switch completamente ottici. "Questo perché la qualità delle nostre nanostrutture di perovskite è bassa e il fattore Q ultraelevato dei BIC non è stato completamente utilizzato, " disse Song. "Alla fine, la soglia può essere ulteriormente ridotta di ordini di grandezza con i BIC e rompere tutte le limitazioni degli interruttori completamente ottici."
Il meccanismo dimostrato non è limitato dall'eccitazione ottica. Sono anche possibili microlaser BIC azionati elettricamente con commutazione ultraveloce e l'integrazione su chip a cascata di tali laser BIC commutabili ultraveloci è essenziale anche per il calcolo ottico e quantistico. Questa ricerca è pubblicata in Scienza il 28 febbraio, 2020.
