Vaihtaa värejä sirufotoniikalla

Kyky hallita ja muuttaa tarkasti fotonin ominaisuuksia, kuten polarisaatiota, sijaintia tilassa ja saapumisaikaa, on johtanut monenlaisiin viestintätekniikoihin, joita käytämme nykyään.

Seuraavan sukupolven fotoniikan tekniikat, kuten fotoniset kvanttiverkot ja tietokoneet, vaativat entistä enemmän fotonin ominaisuuksien hallintaa. Yksi vaikeimmin muutettavista ominaisuuksista on fotonin väri eli sen taajuus, koska fotonin taajuuden muuttaminen tarkoittaa sen energian muuttamista.

Nyt Harvardin John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) -tutkijat ovat kehittäneet erittäin tehokkaita, sirulle toteuttavia gigahertsialueen taajuudenmuuntimia, joita on helppo ohjata jatkuvatoimisilla ja yksisävyisillä mikroaalloilla.

"Taajuudensiirtimistämme voisi tulla perustavanlaatuinen rakennepalikka nopeille, laajamittaisille klassisille viestintäjärjestelmille sekä tuleville fotonisille kvanttitietokoneille", sanoo Marko Lončar, sähkötekniikan professori ja paperin vanhempi kirjoittaja.

Tutkimuspaperi esittelee kahden tyyppisiä sirutason taajuudensiirtimiä. Yksi, joka voi peittää yhden värin toiseksi käyttämällä muutaman kymmenen gigahertsin muunnosta ja toinen, joka voi kaskadoida useita muunnoksia, yli 100 gigahertsin muunnoksen.

Näissä rakenteissa käytetty litiumniobaatti voi tehokkaasti muuntaa elektroniset signaalit optiseksi signaaliksi, mutta monet alan ammattilaiset pitivät sitä pitkään vaikeana käsitellä pienessä mittakaavassa.

Aiemmin kehittämäänsä tekniikkaa käyttäen Lončar ja hänen tiiminsä syövyttivät kytkettyjä rengasresonaattoreita ja aaltoputkia ohutkalvoiseen litiumniobaattiin.

Tulovalo etenee aaltoputkesta kahdeksankuvoisen resonaattoreiden läpi, tullen sisään yhtenä värinä ja ilmestyen toisena. Tämä rakenne tarjoaa jopa 28 gigahertsisiä taajuusmuunnoksia noin 90 prosentin hyötysuhteella.

Toisessa on pieni rengasresonaattori, pitkä soikea kilparataresonaattori ja suorakaiteen muotoinen resonaattori. Kun valo kiihtyy ravirataresonaattorissa, se kaskadoi yhä korkeammille taajuuksille, mikä johtaa muunoksen jopa 120 gigahertsiin.

"Pystymme saavuttamaan tämän taajuusmuunnoksen suuruuden käyttämällä vain yhtä 30 gigahertsin mikroaaltosignaalia", sanoo, SEASin Yaowen Hu. ”Tämä on täysin uudenlainen fotonilaite. Aiemmat yritykset muuntaa taajuuksia yli 100 gigahertsin ovat olleet erittäin vaativia ja kalliita vaatien yhtä suuren mikroaaltosignaalin.

"Tämä työ on mahdollista kaikkien aiempien integroitujen litiumniobaattifotoniikan kehitystemme ansiosta", Lončar sanoi. "Kyky käsitellä taajuusalueen informaatiota tehokkaalla, kompaktilla ja skaalautuvalla tavalla voi merkittävästi vähentää kustannus- ja resurssivaatimuksia suurissa fotonipiireissä, mukaan lukien kvanttilaskenta, tietoliikenne, tutka, optinen signaalinkäsittely ja spektroskopia.”

Aiheesta aiemmin:

Fotonioperaatiot sopivat yhä paremmin sirulle