Trasferimento di modalità poiché i parametri geometrici delle guide d'onda circondano un punto eccezionale in movimento. Credito:Wang Bing
Il controllo della modalità è essenziale per le comunicazioni ottiche e le tecnologie di elaborazione dei dati. Che si tratti di connessioni e interruttori nelle linee di trasmissione dati o di una sorta di dispositivo non reciproco per circuiti ottici, la capacità di controllo, Per esempio, se la modalità di output sarà pari o dispari per una data modalità di input è fondamentale. Ora, ricercatori in Cina e Canada hanno dimostrato come ottenere un trasferimento in modalità ottica efficiente in dispositivi più compatti di quanto fosse possibile in precedenza sfruttando "punti eccezionali" con nuove proprietà mobili.
"È sempre difficile ottenere tali dispositivi con un volume ridotto al minimo, bassa perdita di inserzione, e ad alta efficienza, " spiega Bing Wang, un ricercatore presso il Laboratorio Nazionale di Optoelettronica di Wuhan, Huazhong University of Science and Technology in Cina, e l'autore principale del rapporto di questi ultimi risultati. Per affrontare la sfida, lui e i collaboratori del Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Istituto di tecnologia di Wuhan, l'Accademia cinese delle scienze Center for Excellence in Ultra-Intense Laser Science di Shanghai e l'Università di Ottawa hanno studiato il comportamento dei "punti eccezionali", un concetto matematico che ha recentemente attirato l'interesse per i sistemi guidati a microonde e ottici a causa della modalità di trasferimento possibile con le proprietà topologiche che descrivono.
Però, i precedenti sforzi per sfruttare i punti eccezionali nei dispositivi di trasferimento della modalità sono stati ostacolati dai vincoli per l'ottimizzazione dell'efficienza e della trasmittanza di trasferimento della modalità, che inevitabilmente si traducono in guide d'onda lunghe che non sono adatte per applicazioni più compatte. Per la prima volta, Wang ei suoi collaboratori hanno considerato la possibilità di punti eccezionali che potrebbero muoversi. Ciò ha permesso loro di ottenere un'elevata efficienza di trasferimento in modalità e trasmittanza in una guida d'onda molto più corta.
Che cos'è un punto eccezionale?
Una varietà descrive uno spazio topologico che assomiglia localmente allo spazio euclideo in ogni punto. Nello spazio unidimensionale reale, questo potrebbe includere linee o cerchi, ma non cifre di otto, poiché il punto di attraversamento non si troverebbe nello spazio euclideo. I numeri complessi includono parti reali e immaginarie, dove la parte immaginaria è proporzionale alla radice quadrata di 1 ed è spesso usata per descrivere il comportamento di smorzamento nei sistemi fisici. A causa delle due componenti, una varietà complessa unidimensionale si presenta come un piano chiamato superficie di Riemann, che potrebbero rappresentare autovalori dell'energia di un particolare modo in un sistema con dissipazione. Il punto eccezionale è la singolarità ramificata dove due modi si incontrano, e questa è la proprietà topologica che permette il trasferimento di modalità nel sistema.
Wang e colleghi hanno fabbricato guide d'onda con due reticoli incisi nel silicio su ossido di silicio. Le ondulazioni ai bordi della griglia influiscono sulla perdita effettiva del sistema. Se i grafici della larghezza del reticolo e della distanza del reticolo circondano le coordinate del punto eccezionale, avviene il trasferimento della modalità, quindi un input in modalità pari o dispari risulta in un output in modalità pari o dispari a seconda dei parametri di sistema. Però, o il punto eccezionale è vicino all'estremità di ingresso della guida d'onda in modo che gli autovalori lo circondino facilmente per un trasferimento di modalità efficiente, ma la trasmittanza è bassa a causa dell'elevata perdita del sistema. In alternativa, il punto eccezionale è lontano dall'ingresso della guida d'onda per cui l'efficienza di trasferimento della modalità è compromessa a meno che la guida d'onda non sia molto più lunga.
Passando al solco
Wang e colleghi hanno aggirato il compromesso tra lunghezza della guida d'onda e prestazioni variando la larghezza e la separazione dei reticoli, che ha permesso ai punti eccezionali di muoversi. "Spostare punti eccezionali è una svolta concettuale poiché sono originariamente considerati in uno spazio parametrico bidimensionale, " spiega Wang, che era sorpreso di come funzionava l'approccio.
Infatti, lui ei suoi colleghi si erano concentrati sulla riduzione della perdita con punti eccezionali stabili modificando le ondulazioni del reticolo delle guide d'onda. "In questo modo, però, abbiamo notato che il punto eccezionale non è più fisso, " Wang dice a phys.org. Avendo sviluppato la teoria per spiegare l'effetto, sono stati in grado di confermare i loro risultati con simulazioni numeriche.
Si aspettano che l'effetto sia utile per i convertitori ottici, accoppiatori, filtri e interruttori in dispositivi integrati, nonché isolatori ottici e circolatori a banda larga, che portano una polarizzazione di direzione di tipo elettronico ai circuiti ottici. Credono anche che dovrebbe applicarsi alle onde acustiche e di materia.
Prossimo, hanno in programma di manipolare i punti eccezionali in tempo reale. LiNbO 3 ha un forte effetto elettro-ottico, in modo da poter manipolare l'effettiva permittività della guida d'onda modificando un campo elettrico esterno.
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