El nuevo chip fotónico para aislar la luz puede ser clave para miniaturizar la tecnología cuántica

Aisladores ópticos en chip para longitudes de onda de 780 nm y 1550 nm, fabricados en niobato de litio en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Crédito: Ogulcan Orsel
Aisladores ópticos en chip para longitudes de onda de 780 nm y 1550 nm, fabricados en niobato de litio en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Crédito: Ogulcan Orsel

La luz ofrece una forma insustituible de interactuar con nuestro universo.

Puede viajar a través de distancias galácticas y chocar con nuestra atmósfera, creando una lluvia de partículas que cuentan una historia de eventos astronómicos pasados.

Aquí en la tierra, controlar la luz nos permite enviar datos de un lado del planeta al otro.

Dada su amplia utilidad, no es de extrañar que la luz juega un papel fundamental para que aplicaciones de información cuántica siglo 21.

Por ejemplo, los científicos usan luz láser para controlar con precisión los átomos, convirtiéndolos en medidas ultrasensibles de tiempo, aceleración e incluso gravedad.

Actualmente, esta tecnología cuántica temprana está limitada por el tamaño: los sistemas de última generación no cabrían en la mesa de un comedor, y mucho menos en un chip.

Para un uso práctico, los científicos e ingenieros necesitan miniaturizar los dispositivos cuánticos, lo que requiere repensar ciertos componentes para aprovechar la luz.

Ahora, el miembro de IQUIST, Gaurav Bahl, y su grupo de investigación han diseñado un circuito fotónico compacto y simple que utiliza ondas sonoras para controlar la luz.

El nuevo estudio, publicado en la edición del 21 de octubre de 2021 de la revista Nature Photonics, demuestra una forma poderosa de aislar o controlar la direccionalidad de la luz.

Las mediciones del equipo muestran que su enfoque de aislamiento supera actualmente a todas las alternativas anteriores en chip y está optimizado para la compatibilidad con átomos basado en sensores.

“Los átomos son las referencias perfectas en cualquier lugar de la naturaleza y proporcionan una base para muchas aplicaciones cuánticas”, dijo Bahl, profesor de Ciencia e Ingeniería Mecánica (MechSe) en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. “Los láseres que usamos para controlar los átomos necesitan aisladores que bloqueen los reflejos indeseables. Pero hasta ahora, los aisladores que funcionan bien en experimentos a gran escala han resultado difíciles de miniaturizar “.

Incluso en las mejores circunstancias, la luz es difícil de controlar: se reflejará, absorberá y refractará cuando se encuentre con una superficie.

Un espejo devuelve la luz de donde vino, un fragmento de vidrio dobla la luz mientras la deja pasar, y las rocas oscuras absorben la luz y la convierten en calor.

Esencialmente, la luz se esparcirá gustosamente en todos los sentidos de cualquier cosa en su camino.

Este comportamiento difícil de manejar es la razón por la que incluso una pizca de luz es beneficiosa para ver en la oscuridad.

Controlar la luz dentro de grandes dispositivos cuánticos es normalmente una tarea ardua que involucra un vasto mar de espejos, lentes, fibras y más.

La miniaturización requiere un enfoque diferente para muchos de estos componentes.

En los últimos años, los científicos e ingenieros han logrado avances significativos en el diseño de varios elementos de control de luz en microchips.

Se puede fabricar guías de ondas, que son canales de transporte de luz, e incluso pueden cambiar su color utilizando ciertos materiales.

Pero forzar la luz, que está formada por pequeños puntos llamados fotones, para que se mueva en una dirección mientras se suprimen los reflejos indeseables hacia atrás es complicado.

“Un aislador es un dispositivo que permite que la luz pase ininterrumpidamente en una dirección y la bloquea completamente en la dirección opuesta”, dijo el primer autor del estudio, Benjamin Sohn, un ex estudiante graduado e investigador postdoctoral en Mechse que ahora se encuentra en NIST, Boulder. “Esta unidireccionalidad no se puede lograr utilizando cualquier material dieléctrico común o vidrios, por lo que debemos ser un poco más innovadores. También queremos que el aislador funcione en longitudes de onda de luz sintonizadas con sensores atómicos, lo que puede resultar difícil incluso a gran escala “.

En experimentos típicos, la mejor herramienta para lograr la unidireccionalidad son los imanes.

Por ejemplo, casi todos los láser tienen un aislador magnetoóptico que permite que la luz salga del láser pero evita que se desplace hacia atrás, lo que afectaría la funcionalidad del láser.

Si bien incluso los láseres se pueden miniaturizar, la reducción de los aisladores convencionales es problemática por dos razones.

Primero, en dispositivos compactos, los campos magnéticos afectarían negativamente a los átomos cercanos.

En segundo lugar, incluso si hubiera una forma de evitar esto, los materiales que están dentro del aislador no funcionan tan bien en las escalas de longitud más pequeñas de un chip.

El equipo de Bahl demostró un nuevo aislador no magnético que resulta ser de diseño simple, utiliza materiales ópticos comunes y es fácilmente adaptable para diferentes longitudes de onda de luz.

“Queríamos diseñar un dispositivo que evitara naturalmente las pérdidas, y la mejor manera de hacerlo es que la luz se propague a través de la nada. El fragmento más simple de ‘nada’ que aún puede guiar a los fotones a lo largo de una trayectoria controlada es una guía de ondas, que es un componente muy básico en los circuitos fotónicos ”, dijo Bahl.

En un sistema completo basado en átomos, la guía de ondas dirigiría la luz láser a través de una serie de elementos hasta una pequeña cámara que contiene átomos.

Con esto en mente, el equipo ha optimizado su chip para su uso con luz de 780 nanómetros, que es la longitud de onda necesaria para configurar sensores comunes basados ​​en rubidio.

Esa es solo la primera mitad del diseño porque para el aislamiento, la luz debe bloquearse simultáneamente en la dirección opuesta. Anteriormente , el equipo demostró que podían lanzar ondas de sonido en un circuito fotónico para romper el flujo simétrico de luz.

En el nuevo estudio, el equipo convirtió esta idea en una demostración de un elemento de chip funcional.

El aislador fotónico completo contiene una guía de ondas y un resonador de anillo adyacente, que parece una pista de carreras alargada.

Normalmente, la luz entrante simplemente pasaría de la guía de ondas al resonador, independientemente de su dirección, bloqueando así todo el flujo de luz.

Pero cuando el equipo aplicó ondas sonoras al anillo, el resonador solo capturó la luz que se movía a través de la guía de ondas.

En la dirección de avance, la luz pasa a través de la guía de ondas sin obstáculos, como si el resonador simplemente no estuviera allí.

Las mediciones del equipo revelaron que casi todos los fotones se mueven a través de la guía de ondas en la dirección de avance, mientras que solo tienen una posibilidad entre diez mil de pasar al revés.

Esto significa que el diseño redujo las pérdidas, o la absorción de luz indeseable, a casi cero, lo que ha sido un problema de larga data con los aisladores en chip anteriores.

Los datos muestran que los nuevos dispositivos exhiben un rendimiento récord para el aislamiento en el chip y funcionan tan bien como los dispositivos más grandes basados ​​en imanes.

Además, el enfoque es flexible y se puede utilizar para múltiples longitudes de onda sin cambiar el material de partida.

“La simplicidad en la fabricación es clave: con nuestro enfoque, puede imprimir aisladores fotónicos que funcionan bien para cualquier longitud de onda que necesite, todo en el mismo chip al mismo tiempo. Esto simplemente no es posible con otros enfoques hoy en día ”, dijo el coautor Ogulcan Orsel, estudiante de posgrado en Ingeniería Eléctrica.

Esto podría hacer que el nuevo diseño sea útil para otras aplicaciones, como la computación cuántica , donde los campos magnéticos perdidos e incontrolados, así como la luz no deseada, pueden erosionar el rendimiento general del dispositivo.

Referencia: “Electrically driven optical isolation through phonon-mediated photonic Autler–Townes splitting” by Donggyu B. Sohn, Ogulcan E. Örsel and Gaurav Bahl, 21 October 2021, Nature Photonics.

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