_ Moduri de galerie în șoaptă cu optică fracționată Momentul unghiular în micro-inele cu cristale fotonice

Modurile de galerie șoaptă, un tip de undă care poate călători în jurul suprafețelor concave, s-au dovedit a fi promițătoare pentru dezvoltarea de noi tehnologii, în special în fotonică. Datorită limitărilor geometrice, în microrezonatoarele optice simetrice circular (adică structuri la scară micrometrică care pot limita lumina), aceste moduri prezintă valori întregi cuantificate ale momentului unghiular. În timp ce numeroase efecte profită de astfel de moduri, există aplicații pentru care poate fi dorit un moment unghiular neîntreger.

Cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie și Universitatea din Maryland au dezvoltat recent un cristal fotonic unic micro-inel care permite modurile de galerie în șoaptă cu un moment unghiular optic fracționat. Această structură în formă de inel, introdusă într-un Physical Review Letters (PRL), ar putea deschide posibilități interesante pentru crearea de senzori, instrumente de măsurare, dispozitive optice neliniare și alte tehnologii.

„Recenta noastră lucrare PRL se construiește. despre munca noastră anterioară în Nature Photonics, unde am introdus structura unui inel de cristal fotonic „microgear”, a declarat Xiyuan Lu, unul dintre cercetătorii care au efectuat studiul, pentru Phys.org. „În această nouă lucrare, demonstrăm momentul unghiular orbital semiîntreg al luminii, în comparație cu numerele pare atinse de inelul de cristal fotonic pe care l-am studiat anterior, care oferă un moment unghiular orbital întreg al luminii similar cu cel al micro-inelelor convenționale. , denumite „moduri de galerie șoaptă”.

În munca lor recentă, Lu și colegii săi și-au propus să investigheze noi capabilități ale micro-inelelor cu cristale fotonice introduse în lucrarea lor anterioară. Echipa a dorit, de asemenea, să exploreze modul în care introducerea mai multor defecte în rezonatorul lor ar afecta capacitățile sale de localizare și controlul spațial al luminii.

„Semnificația „momentului unghiular semiîntreg” este că lumina trebuie să facă două călătorii dus-întors în jurul rezonatorului pentru a reveni la faza sa inițială (modulo 2*pi), care este diferită de micro-inele convenționale, unde este nevoie doar de o călătorie dus-întors”, a declarat Kartik Srinivasan, un alt cercetător implicat în studiu. Phys.org. „De aceea rezonatorul nostru a fost uneori comparat cu o bandă Mobius.”

Pentru a obține un moment unghiular de jumătate întreg, echipa și-a proiectat pur și simplu inelul folosind un număr impar de celule periodice în circumferința sa. de alegerea unui număr par de celule. Acest lucru le-a permis să acceseze cealaltă jumătate a spațiului de parametri accesat de inelele de cristal fotonice concepute anterior.

„Realizarea multiplelor defecte în dispozitivul nostru a fost, de asemenea, departe de a fi complicată, deoarece am introdus pur și simplu modularea cu defect multiple. peste inelul nostru", a spus Lu. „Ca rezultat al acestui design unic, am putea realiza două funcționalități, moment unghiular semiîntreg sau localizarea defectelor multiple, în fotonica cu siliciu, cu o metodă de fabricație care poate fi scalabilă.”

În testele inițiale, micro-rezonatorul în formă de inel dezvoltat de această echipă de cercetători a obținut rezultate extrem de promițătoare, prezentând un Q ridicat și o cuplare bună. În plus, dispozitivul poate fi integrat cu aplicații de fotonică neliniară, fotonică cuantică și biodetecție, la fel de ușor precum sunt integrate modurile de galerie de șoaptă în micro-inele convenționale.

Proiectarea cristalelor fotonice de înaltă calitate, inclusiv geometriile care încorporează defecte pentru a localiza puternic lumina, este de obicei provocatoare și consumatoare de timp, deoarece implică rularea mai multor simulări și finalizarea diferiților pași de optimizare. În schimb, micro-ring-ul creat de Lu și colegii săi are un design foarte simplu și direct, care nu trebuie perfecționat prin simulări și optimizări.

„Am văzut că putem încetini lumina și o putem localiza foarte mult într-o mică parte a inelului (acesta a fost punctul central al lucrării noastre anterioare), iar acum am arătat că putem crea jumătate de stări întregi de moment unghiular și stări multiple de defect foarte localizate în același inel și putem folosi aceleași defecte pentru a controla orientarea modurilor galeriei de șoaptă cu lumină lentă”, a spus Srinivasan.

„Deși nu orice efect. este disponibil simultan, în unele cazuri, putem combina efecte sau aplica un efect pentru un mod și un alt efect pentru un alt mod și, cel mai important, știm să proiectăm și să controlăm efectele."

Cele două Lucrările recente ale lui Lu, Srinivasan și colegii lor arată că introducerea modelelor unice de cristale fotonice în rezonatoarele cu micro-inele poate modifica profund caracteristicile câmpurilor electromagnetice. În viitor, proiectarea rezonatorului lor și controlul rezultat al câmpurilor electromagnetice ar putea ajuta la abordarea multor probleme de cercetare care implică interacțiuni lumină-materie, de exemplu, permițând realizarea de noduri cuantice multiple într-un micro-ring sau generarea neliniară de lumină.< /p>

"Un punct important pentru mine este că această lucrare continuă într-un singur pas în modul de implementare a mai multor noduri cuantice într-un microring și, în special, ridicând o problemă conform căreia cuplarea slabă a defectelor poate fi deloc neglijabilă. și trebuie să fie îngrijite”, a spus Lu. „Această cuplare slabă este puțin surprinzătoare pentru mine.”

În următoarele studii, cercetătorii intenționează să testeze valoarea designului lor pentru a obține controlul asupra câmpurilor electromagnetice care interacționează cu materia. Mai precis, ei plănuiesc să o aplice la dezvoltarea tehnologiilor optice neliniare și a opticii cuantice din atomi sau puncte cuantice.

„Suntem interesați să investigăm originea cuplării slabe, pentru a o controla. mai bine pe drum”, a spus Lu. „De asemenea, analizăm interacțiunea optică neliniară cu modurile localizate și interacțiunea cuantică cu atomii și punctele cuantice din aceste dispozitive.”

© 2022 Science X Network

(Fluierul)