"Photon in der Mikrowelle": die Schaffung eines kontrollierten zweistufigen Photonensystems

"Glück kann auch in dunklen Zeiten gefunden werden, wenn Sie nicht vergessen, sich dem Licht zuzuwenden." Diese Worte wurden von einer fiktiven Figur gesagt, die ziemlich weit von der Wissenschaft entfernt ist. Aber in unserer Welt wenden sich Wissenschaftler oft dem Licht zu, um ihr wahres Glück zu suchen - neue Entdeckungen. Und woraus besteht das Licht sozusagen? Von den Photonen. Dieses Elementarteilchen ist zur Grundlage vieler Entdeckungen, Technologien und Forschungen geworden. Aber bis heute sind seine Eigenschaften niemandem bekannt. Dies hindert Wissenschaftler jedoch nicht daran, weiterhin Photonen in ihren praktischen oder theoretischen Arbeiten zu verwenden. Heute werden wir uns mit dem Studium des Photonensystems vertraut machen, das es Wissenschaftlern zufolge ermöglicht, die Energie und Phase der Photonen vollständig zu kontrollieren. Hierzu müssen die Eigenschaften atomarer und molekularer Systeme genutzt werden, bei denen die Kontrolle des Elektronenzustands mittels eines externen elektromagnetischen Feldes möglich ist. Wie, warum und warum - wir lernen aus dem Bericht der Forscher. Lass uns gehen.

Studienbasis

Ein wichtiger Faktor bei der kohärenten elektrooptischen Steuerung eines zweistufigen Photonensystems ist die Dauer des Photons, die in allen Energiezuständen viel länger sein sollte, als für einen einfachen Übergang des Systems von einem Zustand in einen anderen erforderlich ist. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, elektrooptische Steuermethoden zu verwenden. Es gibt jedoch eine Reihe von Schwierigkeiten. Große optische Systeme mit optischen Verstärkern können ein klassisches Zwei-Ebenen-System simulieren, aber die Quantenkohärenz von Photonen wird während des Betriebs einfach zerstört. Wenn Sie herkömmliche integrierte photonische Plattformen verwenden, können diese nicht die langfristige Existenz eines Photons und eine schnelle Modulation gewährleisten. Daher sind sie auch nicht für die Zwecke von Wissenschaftlern geeignet. Resonatoren auf Basis von Siliziumdioxid (SiO ₂ ) oder Siliziumnitrid (Si ₃ N ₄ ) können jedoch ausschließlich elektrisch durch den thermischen Effekt gesteuert werden. Eine schnelle elektrooptische Modulation wird durch elektrisch aktive photonische Plattformen auf der Basis von Silizium, Graphen und verschiedenen Polymeren bereitgestellt. Dies ist ein klarer Vorteil, aber die Photonenlebensdauer in solchen Systemen ist im Vergleich zu elektrisch passiven Plattformen extrem kurz.

Und wie so oft, wenn es keinen vorhandenen Arbeiter und etwas Effektives gibt, erstellen Wissenschaftler ihre eigene Version. In diesem Fall handelt es sich um ein zweistufiges Photonensystem, das durch Gigahertz-Mikrowellensignale gesteuert werden kann.

Dieses System ist eine Vorrichtung mit zwei Mikroringen aus Lithiumniobat (Bild c ), deren Durchmesser 80 μm betragen. Es ist wichtig zu beachten, dass der Abstand zwischen den Ringen extrem klein ist, wie im Bild eines Rasterelektronenmikroskops ( a ) zu sehen ist.


Geräte-Schnappschüsse

Das Bild über b zeigt den Querschnitt des Profils der optischen Mode im Ringresonator. D ist jedoch eine Momentaufnahme des Arrays der oben genannten Geräte auf einem einzelnen Chip.


Versuchsaufbau

Das zu testende Gerät wird von einem abstimmbaren Telekommunikationslaser (Wellenlänge 1630 nm) optisch gepumpt. Licht, das durch einen elektrooptischen Modulator (EO Mod) und Polarisationsregler (SPS) fällt, tritt durch eine Linsenfaser in den Chip ein. Das ausgehende optische Signal wird über eine Faser an den 12-GHz-Fotodetektor gesendet. Danach wird das umgewandelte elektrische Signal an das Oszilloskop gesendet. Mikrowellensteuersignale werden von AWG (Arbitrary Waveform Generator) erzeugt und dann verstärkt und an das Gerät gesendet. Zur Steuerung des Gleichstroms wurde eine T-förmige Vorspannung (Bias T) verwendet.

Dank des geringen optischen Verlusts und der Ko-Integration von Mikrowellenelektroden konnten Wissenschaftler eine sehr beeindruckende Bandbreite von> 30 GHz, eine Modulationseffizienz von 0,5 GHz / V und eine Photonenlebensdauer von 2 ns erreichen.


Bild Nr. 1

Ein zweistufiges Photonensystem wird aufgrund eines Paares identischer und miteinander verbundener optischer Mikroringresonatoren implementiert (in Bild 1a ist dies ω1 = ω2). Eine solche Bindung bildet ein eigenartiges Photonenmolekül mit zwei Energieniveaus: dem symmetrischen Modus (S) und dem asymmetrischen Modus (AS). Und das Mikrowellenfeld interagiert mit dem System durch den starken Pockels-Effekt * .

Der Pockels-Effekt * - das Auftreten einer doppelten Lichtbrechung, wenn es einem konstanten oder elektrischen Wechselfeld ausgesetzt wird.

Die Bestätigung der beiden Energieniveaus ist die Messung der optischen Transmission (Grafik 1c ).

Die optischen Modi selbst sind wie folgt unterteilt: 2μ = 2π x 7 GHz. Und die Spektrallinie des Resonators für jeden ist γ = 2π x 96 MHz, was dem Qualitätsfaktor Q = 1,9 x 10 ^{6 entspricht} . Diese Indikatoren bestätigen erneut die Stabilität des erhaltenen photonischen Zwei-Ebenen-Systems.

Das Hauptinstrument zur Überwachung des Systems ist ein kohärentes Mikrowellenfeld mit einer kontinuierlichen Welle. Wissenschaftler weisen darauf hin, dass ein solches „Format“ der Kontrolle atomaren Zwei-Ebenen-Systemen ähnelt. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied: Im Photonensystem kann jede der beiden Ebenen mehr als 1 Photon füllen.

Wenn die Mikrowellenfrequenz mit der Energiedifferenz der beiden Pegel übereinstimmt, entsteht eine stabile Verbindung zwischen den beiden Moden (S und AS), die ursprünglich getrennt waren. Dies führt zur Aufteilung der Energieniveaus, was auch als Outler-Townes-Effekt bezeichnet wird (Bild 2a ).


Bild Nr. 2

In dem getesteten System ist es möglich, die Amplitude von Mikrowellensignalen zu steuern, wodurch Sie die Teilungsfrequenz auf einen Pegel von mehreren Gigahertz ( 2b ) einstellen können. Wenn die Mikrowellenfrequenz mit der Übergangsfrequenz sehr gestört ist, entsteht ein Dispersionseffekt, vergleichbar mit dem variablen Stark-Effekt in atomaren Systemen ( 2c ). Mit diesem Effekt können Sie den Grad der Bindungsstärke zwischen den Energieniveaus des getesteten photonischen Moleküls steuern.


Bild Nr. 3

Die beiden oberen Bilder zeigen die kohärente spektrale Dynamik des Photonenmoleküls, genauer gesagt Messungen der Rabi-Schwingungen unter verschiedenen Mikrowelleneffekten auf das System: 3a - experimentelle Daten und 3b - theoretische Daten. Die Datenanalyse zeigt, dass ein ziemlich großer Bereich von Rabi-Frequenzen kontrolliert werden kann.

Abbildung 3c zeigt die Rabi-Schwingung unter der Mikrowellenwirkung von 1,1 V bei einer Frequenz von 1,1 GHz, die der realen Achse der Bloch-Kugel entspricht. Das 3D- Diagramm zeigt wiederum die Verstärkungssignale am Fotodetektor, die das Ergebnis von Ramsey-Interferenzen sind.

Und jetzt wenden wir uns den letzten, aber nicht den unwichtigsten Dimensionen zu.

In dem Experiment entschieden sich die Wissenschaftler für eine einheitliche Frequenzumwandlung, um eine sehr wichtige Aufgabe bei jedem Prozess der Verarbeitung optischer Signale zu erfüllen - die Speicherung und Extraktion von Photonen nach Bedarf.

Wissenschaftler stellen fest, dass die Verwendung eines statischen Resonators den Prozess der Photonenausbreitung verlangsamen kann, eine solche Verlangsamung jedoch durch die Resonatorfrequenzen begrenzt ist und daher nicht gesteuert werden kann.

Die Verwendung eines dynamisch modulierten Resonators hat jedoch keine derartigen Nachteile. Um die Kontrolle über die Aufzeichnung von Photonen auf dem Resonator und das Ablesen von Photonen von einem externen Wellenleiter zu erlangen, muss die optische Kopplungsstärke vor Ablauf der Lebensdauer des Photons im Hohlraum geändert werden.


Bild Nr. 4

Um dies zu erreichen, wurde eine Gleichstromvorspannung von 15 V angelegt, die es ermöglichte, das photonische Molekül in ein Paar von "dunklen" und "hellen" Modi umzuformatieren. Die Lichtmode befindet sich im ersten Ring ( 4a ). Da sie immer noch Zugang zum optischen Eingangswellenleiter hat, wird sie als optisches Licht bezeichnet. Der Dunkelmodus befindet sich im zweiten Ring und ist nicht mit dem Wellenleiter verbunden. Daher wird er als optisch dunkel bezeichnet. Der Zugang zum Dunkelmodus kann jedoch erhalten werden, indem Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz angelegt wird, die mit der Differenz zwischen den beiden optischen Modi übereinstimmt. Dieser Prozess führt zur Bildung einer stabilen Verbindung zwischen diesen Modi (Diagramme auf 4b ).

Durch die Verwendung eines Mikrowellensignals im Lichtmodus können Sie es in Dunkel ( 4s ) umwandeln. Wenn das Mikrowellensignal ausgeschaltet wird, bleiben die Photonen im Dunkelmodus, so dass sie vom Wellenleiter getrennt sind. Nach Analyse der Intensität der erhaltenen optischen Impulse im Dunkelmodus konnte die Dauer ihrer Existenz ermittelt werden - 2 Nanosekunden, und diese ist zweimal länger. als Lichtmodus ( 4d ).

Für eine detaillierte Kenntnis der Studie empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen.

Nachwort

Laut Wissenschaftlern kann diese Studie ein nützliches Instrument sein, um die Eigenschaften von Photonen und Methoden ihrer Anwendung in zukünftigen Datenübertragungs- und Speichertechnologien weiter zu untersuchen.

Solche Manipulationen mit Photonen sind immer noch schwierig zu implementieren, obwohl sie ein großes Potenzial haben. Diese Technik eines Systems mit kontrollierten Photonen auf zwei Ebenen (und laut Forschern in Zukunft auf mehreren Ebenen) kann in völlig neuen Photonenberechnungen, Quantencomputern und topologischer Photonik angewendet werden.

Trotz aller Schwierigkeiten träumen Wissenschaftler weiterhin von Hochtechnologie und tun alles, um diese Träume zu verwirklichen. Schließlich ist nichts auf dieser Welt perfekt, was bedeutet, dass vieles verbessert werden kann und sollte.

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