Forscher erreichen eine nichtreziproke Frequenzumwandlung mit optischen und mechanischen Moden

Kürzlich demonstrierte ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Guo Guangcan von der University of Science and Technology of China (USTC) ein nicht-reziprokes Routing zwischen zwei beliebigen Moden mit unterschiedlichen Frequenzen durch Strahlungsdruckkraft unter Verwendung von zwei optischen Moden und zwei mechanischen Moden in einem Mikroresonator. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Optische und akustische nichtreziproke Geräte sind wichtige Komponenten in Informationsverarbeitungs- und Erfassungssystemen, die auf Photonen und Phononen basieren. Magnetisch induzierte Nichtreziprozität ist in optischen Geräten weit verbreitet, steht aber immer noch vor Herausforderungen bei der Geräteintegration. Aufgrund des schwachen Effekts der magnetisch induzierten akustischen Nichtreziprozität ist es schwierig, akustisch nichtreziproke Vorrichtungen zu integrieren. Um magnetfreie Nichtreziprozität zu realisieren, sind optomechanische Systeme eine der vielversprechendsten Methoden.

In dieser Arbeit untersuchte das Team die nichtreziproke Umwandlung zwischen Photonen und Phononen in einem Mikroresonator. Das Team verwendete zwei optische Modi und zwei mechanische Modi, um eine geschlossene Schleife einer Plakette mit vier Modi zu bilden, deren Frequenzen 388 THz, 309 THz, 117 MHz bzw. 79 MHz betragen. Das Team demonstrierte die nicht-reziproken Routings zwischen zwei beliebigen Knoten unter diesen vier Modi, einschließlich des Routings von Phonon-Phonon (MHz-MHz), Photon-Photon (THz-THz) und Photon-Phonon (THz-MHz).

Der Mechanismus dieser nichtreziproken Umwandlungen wird verwendet, um ein synthetisches Eichfeld unter Verwendung mehrerer Moden in einem optomechanischen Mikroresonator zu konstruieren, was eine frühere Studie des Teams ist. Das nicht-reziproke Leiten wurde durch Einstellen der Phase des Messfelds gesteuert, das durch die Phase des Lichts gesteuert wurde. Dann realisierten die Forscher durch Einführen eines dritten mechanischen Modus in die Plakette einen phononischen Zirkulator, dessen Richtung durch zwei unabhängige Steuerphasen gesteuert wurde.

Die Ergebnisse des Teams können auf andere optische und mechanische Modi in Mikroresonatoren verallgemeinert werden, um hybride Netzwerke mit mehr Knoten aufzubauen. Diese Arbeit hat ein großes Anwendungspotential in der Kommunikations- und Informationsverarbeitung, insbesondere in optischen Wellenlängen-Multiplex-Netzwerken und Quantenschnittstellen, die getrennte Systeme mit inkompatiblen Frequenzen verbinden.