Первый

May 29, 2023

Оптический изолятор, разработанный в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), может радикально улучшить оптические системы для многих практических применений.

Все оптические системы, используемые для телекоммуникаций, микроскопии, визуализации, квантовой фотоники и т. д., полагаются на лазер для генерации фотонов и лучей света. Чтобы предотвратить повреждение и нестабильность этих лазеров, этим системам также требуются изоляторы — компоненты, которые предотвращают распространение света в нежелательных направлениях. Изоляторы также помогают снизить шум сигнала, предотвращая беспрепятственное отражение света. Но традиционные изоляторы имеют относительно громоздкие размеры и требуют соединения более чем одного типа материала, что создает препятствие на пути к повышению производительности.

Теперь группа исследователей под руководством инженера-электрика Марко Лончара из SEAS разработала метод создания высокоэффективного интегрированного изолятора, который легко встраивается в оптический чип из ниобата лития. О своих выводах сообщает журнал Nature Photonics.

Оптическая микрофотография электрооптического изолятора на тонкопленочном ниобате лития, состоящего из четырех устройств с различной длиной модуляции. (Фото: Loncar Lab/Harvard SEAS)

«Мы создали устройство, которое позволяет свету, излучаемому лазером, распространяться без изменений, в то время как отраженный свет, возвращающийся к лазеру, меняет свой цвет и перенаправляется в сторону от лазера», — сказал Лончар, профессор электротехники Тяньцай Линь в SEAS. . «Это достигается путем отправки электрических сигналов в направлении отраженных оптических сигналов, что позволяет воспользоваться превосходными электрооптическими свойствами ниобата лития», при котором можно применять напряжение для изменения свойств оптических сигналов, включая скорость и цвет. .

«Мы хотели создать более безопасную среду для работы лазера, и, спроектировав эту улицу с односторонним движением для света, мы можем защитить устройство от отражения лазера», — сказал Мэнцзе Юй, соавтор статьи и исследователь. бывший научный сотрудник лаборатории Лончара. «Насколько нам известно, по сравнению со всеми другими демонстрациями интегрированных изоляторов, это устройство обеспечивает лучшую оптическую изоляцию в мире. Помимо изоляции, он обеспечивает наиболее конкурентоспособную производительность по всем показателям, включая потери, энергоэффективность и настраиваемость».

«Что исключительного в этом устройстве, так это то, что по своей сути оно невероятно простое – на самом деле это всего лишь один модулятор», – говорит Ребекка Ченг, соавтор статьи и ныне доктор философии. студент в лаборатории Лончара. «Все предыдущие попытки создать что-то подобное требовали нескольких резонаторов и модуляторов. Причина, по которой мы можем сделать это с такой замечательной производительностью, заключается в свойствах ниобата лития».

Другая причина высокой производительности и эффективности связана с размером устройства — команда построила его в Гарвардском центре наноразмерных систем, изготовив чип толщиной 600 нанометров с гравировкой (для направления света с использованием заданных наноструктур) до Глубина 320 нанометров.

«С помощью устройства меньшего размера вы можете легче управлять светом, а также размещать этот свет ближе к электрическим сигналам, тем самым достигая более сильного электрического поля с тем же напряжением», что позволяет более эффективно управлять светом, — сказал Ю.

Уменьшенные размеры и сверхнизкие потери этой платформы также повышают оптическую мощность.

«Поскольку свету не нужно путешествовать так далеко, происходит меньше затухания и потери энергии», — сказал Ченг.

Наконец, команды показывают, что устройство может успешно защитить встроенный лазер от внешнего отражения.

«Мы первая команда, продемонстрировавшая фазостабильную работу лазера под защитой нашего оптического изолятора», — сказал Ю.

В целом, это достижение представляет собой значительный шаг вперед для практичных и высокопроизводительных оптических чипов. Команда сообщает, что его можно использовать с диапазоном длин волн лазера, требуя только встречного электрического сигнала для достижения желаемых эффектов.