Учёные разрабатывают микронные оптические устройства

< =" ">

Транзисторы, резисторы, конденсаторы и диоды. Все эти примеры общей схемы электрических элементов, которые можно найти на материнской плате компьютера. Миллиарды транзисторов составляют процессор, каждый из которых в размере составляет менее 100 нанометров. Это более, чем в 10 раз меньше диаметра клетки крови, сообщает «WordScience.org».

Электроны в компьютерных схемах несут информацию на крошечные расстояния. Фотоны, как правило, используются для передачи информации через километровые расстояния. В настоящее время учёные разрабатывают микронные оптические устройства, которые либо заменят, либо будут совместимы с их электронными аналогами.

Исследователи из «JQI» и Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) предлагают использовать кольцевые резонаторы для построения микро-оптического диода. Технология «кремний на изоляторе» (silicon-on-insulator) делает её совместимой с «CMOS» (дополнительный металлический окисный полупроводник), производственными процессами, лежащих в основе современных компьютерных схем. В последнее время другие исследователи предложили и показали оптические технологии для достижения этой же цели. Этот новый подход, который появится на этой неделе в «Optics Express» имеет преимущество, которое подходит для квантовой информации, так как работает с одиночными фотонами.

В оптике одностороннее движение фотонов, как правило, создаётся с помощью так называемого Фарадеевского вращения. Здесь большое магнитное поле взаимодействует с кристаллом (феррит-гранат иттрия), таким образом световые волны, проходящие через материал, вращают плоскости поляризации света. Поляризация может рассматриваться, как определение направления бегущей волны света. Например, поляризованные очки могут защитить глаза от света, имеющего определённое направление.

В этом магнитном оптическом диоде свет поражает элемент поляризации, который фильтрует всё кроме одного типа направленной волны. Затем волны проходят через магнито-оптический материал, который вращает поляризацию волн (Фарадеевское вращение). Теперь, если та волна отражена назад, она снова вращается магнито-оптическим кристаллом. Эта отражённая волна имеет неправильное направление и проходя через поляризатор, блокируется. Таким образом, достигается оптический диод.

Оптическая изоляция используется для защиты лазера от повреждений, вызванных отражённым светом. Инструменты выделяемые свет, также имеют важное значение для обработки сигналов.

Сокращение данного устройства, чтобы вписаться в микроэлектронные чипы, является сложной задачей из-за значительного магнитного поля и трудности интеграции магнито-оптических кристаллов на чипы. Тем не менее, Фарадеевское вращение не единственный способ вызвать невзаимные поведения.

Исследователи предлагают оптико-механический диод, который работает следующим образом: подключить оптический путь, называемый волноводом, к оптико-механическому резонатору, который похож на опору.

Волновод является оптическим аналогом длинного провода находящегося под напряжением. Механический резонатор является инструментом, которым будут управлять, чтобы вызвать диодные импульсы к волноводу. Кольцевые резонаторы действуют как барабан — у них есть гибкая полость, в которой может отражаться свет. Также, как и литавры, микрокольцо может вибрировать по-разному. Здесь учёные заинтересованы в использовании света циркулирующего внутри полости, чтобы заставить резонатор “дышать” в радиально.

Свет вдоль волновода может перемещаться в любом направлении и в зависимости от длины волны, будет поглощён или передан кольцевому резонатору.

Предположим, что свет имеет правильную частоту, чтобы войти в резонатор и подтолкнуть его на «движения». Колебательное движение, как и волна, будет вмешиваться в световые волны внутри резонатора. Свет проходит по правую и левую сторону в волноводе — прохождение света до сих пор взаимно. Это не оптический диод. Свет проходит без изменений в любом направлении, лишь слегка страдая от вибрации.

Чтобы заставить фотоны проходить по одной стороне, исследователи предлагают ввести интенсивный свет (так называемый «насос») в один из путей резонатора (по часовой стрелке). Накачка усиливает влияние света движущегося по часовой стрелке. Теперь колебания достаточно сильны, чтобы модулировать свет. Результат состоит в том, что на определённых длинах волн, свет по часовой стрелке (слева на право) будет проходить через волновод. Однако, свет, который идёт против часовой стрелки, не создаёт колебания и поглощается или блокируется резонатором. Это — оптический диод.

Эта система имеет преимущества по сравнению с макроскопическим ротатором Фарадея — его можно легко включать и выключать путём корректировки светового пучка.

В зависимости от параметров, невзаимность может проявляться на фазе, а не в передаче или поглощении волноводом. Когда волны проходят по любому пути, они могут быть полностью переданы, но отпечатаны фазой. Фазы можно рассматривать с точки зрения задержки. Например, когда учёные смотрят на входящие и исходящие волны резонатора, интенсивность может быть одинаковой, но по сравнению с другими волны могут быть смещены во времени.

Фаза будет отличаться в зависимости от того, насколько сильно свет вызывает колебания. В этой схеме, свет движущийся по часовой стрелке приобретает иной фазовый сдвиг, чем свет, который движется против.

Недавно, другая группа предложила и продемонстрировала все оптические диоды. Но этот оптический изолятор может также работать с одиночными фотонами, в квантовом пределе.

Автор Мухаммад Хафизи объясняет, что: «интерференция волн (в данном случае акустические колебания мешают световым волнам) является не квантовой. Однако, учёные могут охлаждать микрорезонаторы до температуры, при которой начнут возникать квантовые эффекты».

Кроме того, исследователи могут потенциально использовать массив из этих диодов микрорезонатора для моделирования квантовых многочастичных систем.

Хафизи описал универсальность этого предложения: «В этом деле перспективой является оптический изолятор, который может быть использован на чипе, полезным для фотоники. С другой стороны, он может быть использована в качестве невзаимных фазовращателей, таким образом мы можем изучать квантовый эффект Холла. В тоже время, мы можем использовать нелинейность и невзаимность для моделирования различных квантовых явлений».

Источник:< ="">