Статья будет опубликована в журнале Science 12 октября 2017 г.
«Наша цель – преодолеть фундаментальные ограничения оптических устройств и открыть новые физические принципы, которые могут сделать возможным то, что ранее считалось невозможным», – сказал Бубакар Канте, профессор электротехники и компьютерной инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего и старший автор исследования.
В большинстве обычных лазеров резонатор лазера должен иметь правильную изогнутую форму, обычно кольцевую, чтобы световые волны распространялись и оставались в резонаторе. Если полость имеет резкий поворот, часть этого света рассеивается и теряется.
Вот почему, например, оптические волокна не могут иметь перегибов или изгибов.
«Когда вы меняете форму полости, вы меняете способ удержания света в ней», – сказал Бабак Бахари, доктор электротехники.D. студент Калифорнийского университета в Сан-Диего и первый автор статьи.
Отсутствие возможности изменить форму полости также ограничивает количество компонентов, которые можно интегрировать в фотонный чип. "Если мы сможем деформировать форму полости, мы сможем легко разместить ее в любой области на кристалле, не нарушая и не перемещая другие компоненты. Это даст нам больше свободы в разработке компонентов микросхем и создании более плотных и мощных устройств », – сказал Канте.
Теперь Канте, Бахари и его коллеги представили способ изготовления лазерных резонаторов произвольной формы без изменения их свойств.
Они создали структуру, состоящую из двух фотонных кристаллов, один из которых окружает периметр другого.
Кристалл внутри выращен из тех же материалов, что и кристалл, окружающий его, но они известны как топологически разные – их можно описать как имеющие разное количество отверстий, например, рогалик (одно отверстие) и крендель (три отверстия). дыры). Кристаллы также демонстрируют свойство, при котором они могут проводить свет одинаковой длины волны снаружи, действуя как изоляторы внутри. Объединив эти кристаллы, исследователи создали полость, в которой световые волны могут распространяться на границе раздела между кристаллами.
Исследователи называют это топологической полостью.
Канте отметил, что это не пространство, а граница, на которой встречаются два топологически разных материала. Эта полость может иметь любую форму – треугольник, квадрат, петлю с неровными краями – и свет может циркулировать внутри этой формы, не рассеиваясь.
Чтобы продемонстрировать лазерные возможности своего устройства, исследователи сначала подключили волновод к резонатору.
Затем они возбудили кристаллы светом мощного лазера и приложили магнитное поле. Используя инфракрасную камеру, они наблюдали, как их устройство излучает более низкочастотный лазерный луч на 1.55 микрометров, стандартная длина волны для телекоммуникаций.
Еще одна примечательная особенность – это устройство имеет невозвратный режим генерации, то есть лазерный луч может двигаться только в одном направлении. Это не относится к большинству существующих лазеров, которым необходимо устройство, называемое изолятором, которое должно быть размещено перед источником и предотвращает возвращение лазерного луча и потенциально разрушающее резонатор. По словам Канте, изоляторы обычно представляют собой большие устройства, и новая работа может устранить необходимость в них в будущем.
«Эта новая функция позволяет нам создавать лазер с самозащитой», – сказал Бахари.
Двигаясь вперед, команда надеется создать устройство с электрическим приводом, которое сделает его более практичным.
Канте также планирует продолжить изучение фундаментальной физики топологических полостей. Его особенно интересует, насколько плотно такие полости могут быть упакованы на чипе.
По его словам, эти исследования могут быть важны для обработки квантовой информации и могут преодолеть фундаментальные ограничения эффективности существующих систем.