Ein an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) entwickelter optischer Isolator könnte optische Systeme für viele praktische Anwendungen drastisch verbessern.
Alle optischen Systeme – die für Telekommunikation, Mikroskopie, Bildgebung, Quantenphotonik und mehr verwendet werden – basieren auf einem Laser, um Photonen und Lichtstrahlen zu erzeugen. Um Schäden und Instabilität dieser Laser zu verhindern, benötigen diese Systeme außerdem Isolatoren, Komponenten, die verhindern, dass Licht in unerwünschte Richtungen wandert. Isolatoren tragen auch dazu bei, Signalrauschen zu reduzieren, indem sie verhindern, dass Licht ungehindert reflektiert wird. Herkömmliche Isolatoren waren jedoch relativ sperrig und erforderten die Verbindung mehrerer Materialtypen, was ein Hindernis für die Erzielung einer verbesserten Leistung darstellte.
Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung des Elektroingenieurs Marko Lončar von SEAS eine Methode zum Bau eines hocheffizienten integrierten Isolators entwickelt, der nahtlos in einen optischen Chip aus Lithiumniobat integriert ist. Über ihre Ergebnisse wird berichtet in Naturphotonik.
„Wir haben ein Gerät konstruiert, das vom Laser emittiertes Licht unverändert ausbreiten lässt, während das reflektierte Licht, das zurück zum Laser wandert, seine Farbe ändert und vom Laser weggeleitet wird“, sagte Lončar, Tiantsai Lin-Professor für Elektrotechnik am SEAS . „Dies wird erreicht, indem elektrische Signale in die Richtung der reflektierten optischen Signale gesendet werden und so die hervorragenden elektrooptischen Eigenschaften von Lithiumniobat genutzt werden“, bei dem Spannung angelegt werden kann, um die Eigenschaften optischer Signale, einschließlich Geschwindigkeit und Farbe, zu ändern .
„Wir wollten eine sicherere Umgebung für den Betrieb eines Lasers schaffen, und durch die Gestaltung dieser Einbahnstraße für Licht können wir das Gerät vor der Reflexion des Lasers schützen“, sagte Mengjie Yu, Co-Erstautor des Papiers und a ehemaliger Postdoktorand in Lončars Labor. „Nach unserem Kenntnisstand bietet dieses Gerät im Vergleich zu allen anderen Demonstrationen integrierter Isolatoren die beste optische Isolierung der Welt. Zusätzlich zur Isolierung bietet es die wettbewerbsfähigste Leistung in allen Metriken, einschließlich Verlust, Leistungseffizienz und Abstimmbarkeit.“
„Das Außergewöhnliche an diesem Gerät ist, dass es im Kern unglaublich einfach ist – es ist eigentlich nur ein einziger Modulator“, sagt Rebecca Cheng, Co-Erstautorin des Artikels und aktuelle Doktorandin. Student in Lončars Labor. „Alle früheren Versuche, so etwas zu entwickeln, erforderten mehrere Resonatoren und Modulatoren. Der Grund dafür, dass wir dies mit solch bemerkenswerter Leistung tun können, sind die Eigenschaften von Lithiumniobat.“
Ein weiterer Grund für die hohe Leistung und Effizienz hängt mit der Größe des Geräts zusammen – das Team baute es am Harvard Center for Nanoscale Systems und fertigte einen Chip mit einer Dicke von 600 Nanometern und Ätzungen (um das Licht mithilfe vorgeschriebener Nanostrukturen zu leiten) bis zu 500 nm an 320 Nanometer tief.
„Mit einem kleineren Gerät kann man Licht einfacher steuern und es auch näher an die elektrischen Signale bringen, wodurch ein stärkeres elektrisches Feld bei gleicher Spannung erreicht wird“, was eine leistungsfähigere Lichtsteuerung ermöglicht, sagte Yu.
Die verkleinerten Abmessungen und die extrem verlustarme Eigenschaft dieser Plattform steigern auch die optische Leistung. „Da das Licht nicht so weit wandern muss, kommt es zu weniger Zerfall und Leistungsverlust“, sagte Cheng.
Schließlich zeigen die Teams, dass das Gerät einen On-Chip-Laser erfolgreich vor externer Reflexion schützen kann. „Wir sind das erste Team, das den phasenstabilen Betrieb des Lasers unter dem Schutz unseres optischen Isolators demonstriert“, sagte Yu.
Insgesamt stellt der Fortschritt einen bedeutenden Fortschritt für praktische, leistungsstarke optische Chips dar. Das Team berichtet, dass es mit einer Reihe von Laserwellenlängen verwendet werden kann und nur ein gegenläufiges elektrisches Signal erforderlich ist, um die gewünschten Effekte zu erzielen.
Das Team hofft, dass der Durchbruch – Teil einer größeren Anstrengung zur Integration von Lasern und Photonikkomponenten auf einem Chip in extrem kleinen Maßstäben – neue Möglichkeiten in einer Reihe von Anwendungen eröffnen wird, von der Telekommunikationsindustrie bis hin zur Zeit-Frequenz-Übertragung, einer Methode zur präzisen Messung Zeit bis hin zur atomaren und subatomaren Skala, die Auswirkungen auf die Quantenforschung und -informatik haben könnte.
„Die Integration aller Aspekte eines optischen Systems auf einem einzigen Chip könnte viele größere, teurere und weniger effiziente Systeme ersetzen“, sagte Yu. „Die Kombination all dieser Dinge könnte viele Arbeitsbereiche revolutionieren.“
Mehr Informationen:
Mengjie Yu et al., Integrierter elektrooptischer Isolator auf Dünnschicht-Lithiumniobat, Naturphotonik (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01227-8