Valon ohjelmointia sirulla

Uusi integroitu fotoniikka-alusta, joka voi tallentaa valoa ja ohjata sähköisesti sen taajuutta integroidussa piirissä.

Harvardin John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciencesin (SEAS) tutkijat ovat kehittäneet uuden integroidun fotoniikan alustan, joka voi tallentaa valoa ja hallita sähköisesti sen taajuutta (väriä) integroidussa piirissä.

Alusta saa inspiraation keinotekoisista atomi- ja molekyylijärjestelmistä ja sillä voi olla laaja valikoima sovelluksia, kuten fotonisen kvantti-informaation käsittely, optinen signaalinkäsittely ja mikroaaltofotoniikka.

Työssään tutkijat osoittavat "fotonisen molekyylin", jolla on kaksi erillistä energiatasoa kytkettynä litium-niobaatti mikrorengas resonaattoreihin ja ohjaten sitä ulkoisella mikroaaltoherätteellä.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun mikroaaltoja on käytetty valon taajuuden siirtämiseen ohjelmoitavalla tavalla sirulle", sanoo entinen tutkijatohtori Mian Zhang, SEAS:n soveltavan fysiikan osaston jäsen ja on nyt Harvardista poikineen startupin HyperLight Corporationin toimitusjohtaja ja tutkimuspaperin ensimmäisen kirjoittaja.

”Monet kvanttifotoniikan ja klassisen optiikan sovellukset vaativat optisten taajuuksien siirtämistä, mikä on ollut vaikeaa. Osoitamme, että voimme paitsi muuttaa taajuutta hallittavalla tavalla mutta myös tallentaa ja palauttaa valoa tarpeen mukaan, mikä ei ole aikaisemmin ollut mahdollista."

Jo aiemmin SEAS-tutkijat, professorinaan Marko Loncar, kehittivät tekniikan korkean suorituskyvyn optisten mikrorakenteiden valmistamiseksi käyttäen litium-niobaattia, joka on vahvoja sähköoptisia ominaisuuksia omaava materiaali.

”Litiumniobaatin ainutlaatuiset ominaisuudet, joiden pieni optinen hävikki ja vahva sähköoptinen epälineaarisuus, antavat meille dynaamisen valon hallinnan ohjelmoitavassa sähköis-optisessa järjestelmässä”, toteaa tutkija Cheng Wang. ”Tämä voi johtaa ohjelmoitavien suodattimien kehittämiseen optisien ja mikroaaltosignaalien käsittelyä varten ja ne löytänevät sovelluksia myös radio-tähtitieteessä, tutkateknologiassa ja monessa muussa.”

Seuraavaksi tutkijat pyrkivät kehittämään pienemmän hävikin optisia aaltoputkia ja mikroaaltopiirejä, käyttäen samaa arkkitehtuuria. Tarkoitus on mahdollistaa entistä parempi tehokkuus ja saavuttaa lopulta kvanttiyhteys mikroaaltoisten ja optisten fotonien välillä.

"Mikroaaltojen ja optisten fotonien energiat eroavat viidellä suuruusluokalla, mutta järjestelmämme voisi mahdollisesti ylittää tämän aukon lähes 100 prosentin hyötysuhteella, yksi fotoni kerrallaan," toteaa Loncar, tutkimuspaperin vanhempi kirjoittaja. ”Tämä mahdollistaisi kvanttipilven realisoinnin eli hajautetun kvantti-tietokoneiden verkon, joka on kytketty turvallisten optisten viestintäkanavien kautta.

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaampaa optis-elektronista muunnosta

Valolla ja sähköllä operoiva transistori

Fotoniikkaa mikroprosessoreihin