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新颖的设计可以提高片上频率梳的效率

更新时间:2021-09-28 22:01:33

在粉红色的弗洛伊德专辑《月亮的黑暗面》的封面上,一个棱镜将一束光线分割成彩虹的所有颜色。这种五彩缤纷的混合体,由于光以波的形式传播,几乎总是隐藏在普通的视线中;一个棱镜仅仅显示它就在那里。例如,阳光是多种不同颜色光的混合物,每种颜色都以各自的特征频率上下跳动。但综合起来,这些颜色融合成一种均匀的淡黄色光芒。

棱镜或类似的东西也可以消除这种分裂,将彩虹混合成一束光。早在20世纪70年代末,科学家们就发现了如何产生多种颜色的光,在频率上均匀分布,并将它们混合在一起——这一发明被称为频率梳,因为频率像梳子上的牙齿一样排列在一起。它们还将不同频率的波峰重叠在一个点上,使颜色聚集在一起形成短光脉冲,而不是一个连续的光束。

随着频率梳技术的发展,科学家们意识到他们可以实现新的实验室发展,如超精密光学原子钟,到2005年,频率梳已经为两位科学家赢得了诺贝尔物理学奖的一部分。如今,频率梳在现代技术中得到了应用,它可以帮助自动驾驶汽车“看到”,并允许光纤同时传输许多信道的信息。

现在,马里兰大学(UMD)研究人员的合作提出了一种方法,通过利用拓扑理论的力量,将芯片大小的频率梳效率提高十倍,这是现代材料中一些最奇特的行为的基础。由JQI研究员Mohammad Hafezi和Kartik Srinivasan以及UMD电气和计算机工程副教授、电子和应用物理研究所成员Yanne Chembo领导的团队最近在《自然物理》杂志上发表了他们的研究结果。

“在过去的十年里,拓扑学作为一种新的光学设计原理出现了,”哈菲齐说,“它导致了许多有趣的新现象,有些现象没有电子对应物。如果你也能找到这些思想的应用,那将是一件非常有趣的事情。”

能够产生频率梳的小型芯片已经存在了将近十五年。它们是在微环谐振器的帮助下产生的,微环谐振器由位于芯片顶部的材料构成,并在环路中引导光线。这些圆通常由直径为10至100微米的硅化合物制成,并直接印刷在电路板上。

光可以从邻近的一块硅化合物发射到微环中,硅化合物沉积在附近的一条直线上。如果光的频率与谐振器的一个自然频率相匹配,那么光将来回移动数千次,或者在环中形成共振,从而在泄漏回直线轨迹之前增强光强度。

光绕着地球旋转数千圈,就有很多机会与它所经过的硅(或其他化合物)相互作用。这种相互作用导致其他颜色的光弹出,不同于发送到谐振器的颜色。这些颜色中的一些也会产生共鸣,在圆圈中来回走动,增强力量。这些共振颜色的频率是均匀分布的,它们对应于光波的波长,光波是光环周长的整数部分,整齐地折叠成圆形,迫使频率形成梳齿。在正确的输入功率和颜色下,所有颜色的波峰自动重叠,形成稳定的梳子。构成梳子的均匀分布的颜色聚集在一起,形成一个单一的窄光脉冲,在光环周围循环。

JQI博士后研究员、论文主要作者Sunil Mittal说:“如果你将进入谐振器的光的功率和频率调整到恰到好处,神奇地在输出时你会得到这些光脉冲。”。

芯片上的频率梳允许紧凑的应用。例如,光探测和测距(LIDAR)允许自动驾驶汽车通过将频率梳产生的短脉冲光反射到周围环境中来探测周围的物体。当脉冲返回到汽车时,将其与另一个频率梳进行比较,以获得准确的周围环境地图。在电信技术中,通过使用一种称为波分复用(WDM)的技术将不同的数据写入每个梳齿,梳齿可用于在一根光纤中传输更多信息。

但芯片级频率梳也有其局限性。在一个微环中,可从输入转换为输出梳状的功率分数模式效率基本上仅限于5%。

Mittal、Hafezi和他们的合作者此前率先开发了一种具有内置拓扑保护的微环阵列,并利用它按需提供单光子,并生成定制的纠缠光子。他们想知道一种类似的装置——带有额外“链接”环的方形微环谐振器是否也可以用于改进频率梳技术。

在该设置中,沿外边缘的微环变得与中间的所有环不同。发送到晶格中的光大部分时间都沿着这条外边缘,并且由于拓扑约束的性质,它不会散射到中心。研究人员称这个由微环组成的外圈为超级环。

研究小组希望找到神奇的条件,在超级环周围循环的脉冲中形成一个频率梳。但这很棘手:晶格中的每个环都有自己的光脉冲在不停地旋转。为了让一个大的光脉冲环绕超级环,每个微环内的脉冲必须一起工作,同步形成一个环绕整个边界的整体脉冲。

米塔尔和他的合作者不知道在什么频率或功率下会发生这种情况,也不知道它是否会起作用。为了解决这个问题,米塔尔编写了计算机代码来模拟光如何穿过12×12的环形晶格。令研究小组惊讶的是,他们不仅找到了使微环脉冲同步成超级环脉冲的参数,而且还发现效率比单环梳子高出10倍。

这一改进归功于微环之间的合作。模拟显示,梳齿的间距与单个微环的大小或围绕小圆整齐折叠的波长一致。但是如果你放大任何一颗牙齿,你会发现它们实际上被细分成更小、间隔更细的子牙齿,与超级圆环的大小相对应。简单地说,入射光与几个百分点的效率耦合到每个额外的副齿中,使总效率达到50%。

该团队正在进行这种拓扑频率梳的实验演示。通过模拟,他们能够挑选出氮化硅作为微环的一种有前途的材料,并计算出光的频率和功率。他们相信,构建他们的超高效频率梳应该是目前最先进的实验技术所能达到的。

如果建造了这样一个梳子,它可能对未来几项关键技术的发展非常重要。更高的效率可能有利于像激光雷达在自动驾驶汽车或紧凑型光学时钟的应用。此外,例如,在每个单独的齿周围存在精细间隔的子齿也有助于在WDM发射机中添加更多的信息信道。

团队希望这只是一个开始。米塔尔说:“可能有很多我们还不知道的应用。”。“我们希望有更多的应用程序,更多的人会对这种方法感兴趣。”

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