Фотоника в XXI веке может повторить путь, пройденный электроникой в прошлом веке: от гигантских прожорливых машин весьма ограниченной функциональности до карманных энергоэффективных и многозадачных устройств. Одна из основных задач на этом пути — сделать элементы фотонных приборов миниатюрными.
В статье, опубликованной в Nature Photonics, исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне (University of Illinois Urbana-Champaign) представили оптический изолятор рекордно малого размера.
Оптический изолятор — прибор, пропускающий свет в прямом направлении, но поглощающий в обратном. Сейчас в различных устройствах используются магнитооптические изоляторы — уже из названия понятно, что их работа невозможна без магнитного поля, генерация которого требует довольно громоздких технических решений. И это значит, что задачу надо решать как-то иначе.
Что, если не магнитное поле? Научная группа под руководством Гаурава Бахла (Gaurav Bahl) отвечает: звуковые волны. Утверждается, что новый подход позволяет создать оптическую схему на чипе, совместимую с атомными датчиками (atom-based sensors).
«Атомы — идеальные эталоны в любой точке пространства и обеспечивают основу для многих квантовых решений, — говорит профессор Бахл. — Лазеры, которые мы используем для управления атомами, нуждаются в изоляторах, блокирующих нежелательные отражения. Но до сих пор изоляторы, которые хорошо работают в крупномасштабных экспериментах, не удавалось миниатюризировать».
Светом трудно управлять — он отражается, поглощается и преломляется при каждом столкновении с поверхностью. Зеркало отражает, осколок стекла преломляет, тёмный предмет поглощает свет с выделением тепла. Свет легко рассеивается при встрече с любым препятствием. Иногда это удобно — даже слабый источник света позволяет ориентироваться в пространстве.
Управление светом в больших квантовых устройствах — непростая задача, решаемая с помощью зеркал, линз, волокон и многого другого. Миниатюризация требует особого подхода к изготовлению этих компонентов. За последние несколько лет удалось достичь прогресса в разработке микроэлементов управления освещением. Существуют волноводы — каналы для передачи света, а также различные фильтры. Но заставить свет, состоящий из фотонов, двигаться в одном направлении, без нежелательных отражений, сложно.
«Изолятор — устройство, которое позволяет свету беспрепятственно проходить в одну сторону и полностью блокирует его в противоположном направлении, — поясняет один из участников исследования, Бенджамин Сон (Benjamin Sohn). — Эта однонаправленность не может быть достигнута использованием каких-либо обычных диэлектрических материалов или стёкол, и поэтому нам нужно быть немного более изобретательными. Также мы хотим, чтобы изолятор работал на длинах волн света, настроенных на атомные датчики, что может быть сложно даже в больших устройствах».
Миниатюризация вышеупомянутых магнитооптических изоляторов невозможна по ряду причин. А предложенный командой Бахла немагнитный изолятор прост, для его создания нужны обычные оптические материалы и он легко настраивается на нужную длину световой волны.
«Мы хотели разработать устройство, которое естественным образом избегало бы потерь, и лучший способ сделать это — заставить свет распространяться в пустоте. Самый простой элемент такой «пустоты», который способен направлять фотоны по контролируемому пути, — волновод, основной компонент фотонных схем», — рассказывает Бахл.
В схеме атомного датчика волновод будет направлять лазерный луч через ряд элементов в небольшую камеру, содержащую определённые атомы. Команда Бахла оптимизировала свой чип для использования со светом 780 нанометров, это длина волны, необходимая для работы датчиков на основе атомов рубидия. Но свет должен быть однонаправленным — и в дело вступают звуковые волны. В схеме появляется круговой резонатор (овальные конструкции на иллюстрации), который препятствует движению фотонов в нежелательном направлении.
«Простота изготовления является ключевым фактором — теперь вы можете печатать фотонные изоляторы, которые хорошо работают для любой длины волны, которая вам нужна, на одном чипе и одновременно. Сегодня подобное просто невозможно при использовании других методов», — утверждает соавтор исследования Огулкан Орсел (Ogulcan Orsel).
Вероятно, что новый фотонный изолятор будет полезен при постройке машин для квантовых вычислений, при этом случайные, неконтролируемые магнитные поля и нежелательный свет не будут снижать производительность устройства.