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Segunda-feira, Agosto 8, 2022

Mudança de cores para fotônica on-chip para potencializar redes e computadores quânticos de próxima geração

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Mudadores de frequência on-chip na faixa de Gigahertz

No dispositivo superior, dois ressonadores acoplados formam uma estrutura em formato de oito. A luz de entrada viaja do guia de ondas através dos ressonadores, entrando como uma cor e emergindo como outra. O dispositivo inferior usa três ressonadores acoplados: um pequeno ressonador em anel, um ressonador oval longo denominado ressonador de pista e um ressonador retangular. À medida que a luz acelera em torno do ressonador da pista de corrida, ela se espalha em frequências cada vez mais altas, resultando em uma mudança de até 120 gigahertz. Crédito: Second Bay Studios / Harvard SEAS

Os deslocadores de frequência no chip na faixa de gigahertz podem ser usados ​​em computadores e redes quânticas de próxima geração.

A capacidade de controlar e alterar com precisão as propriedades de um fóton, incluindo polarização, posição no espaço e tempo de chegada, deu origem a uma ampla gama de tecnologias de comunicação que usamos hoje, incluindo a Internet. A próxima geração de tecnologias fotônicas, como redes quânticas fotônicas e computadores, exigirá ainda mais controle sobre as propriedades de um fóton.

Uma das propriedades mais difíceis de alterar é a cor do fóton, também conhecida como sua frequência, porque alterar a frequência de um fóton significa alterar sua energia.

Hoje, a maioria dos deslocadores de frequência são muito ineficientes, perdendo muita luz no processo de conversão, ou não podem converter luz na faixa de gigahertz, que é onde as frequências mais importantes para comunicações, computação e outras aplicações são encontradas.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson desenvolveram deslocadores de frequência on-chip altamente eficientes que podem converter luz na faixa de frequência gigahertz. Os deslocadores de frequência são facilmente controlados, usando microondas contínuas e de tom único.

A pesquisa é publicada em Natureza.

“Nossos deslocadores de frequência podem se tornar um bloco de construção fundamental para sistemas de comunicação clássicos de alta velocidade e grande escala, bem como computadores quânticos fotônicos emergentes”, disse Marko Lončar, professor de Engenharia Elétrica da Tiantsai Lin e autor sênior do artigo.

O artigo descreve dois tipos de shifter de frequência on-chip – um que pode converter uma cor para outra, usando um deslocamento de algumas dezenas de gigahertz, e outro que pode causar vários turnos em cascata, um deslocamento de mais de 100 gigahertz.

Cada dispositivo é construído na plataforma de niobato de lítio desenvolvida por Lončar e seu laboratório.

O niobato de lítio pode converter com eficiência sinais eletrônicos em sinais ópticos, mas foi considerado por muitos na área como difícil de trabalhar em pequenas escalas. Em pesquisas anteriores, Lončar e sua equipe demonstraram uma técnica para fabricar microestruturas de niobato de lítio de alto desempenho usando plasma corrosão para esculpir fisicamente microrressonadores em filmes finos de niobato de lítio.

Aqui, usando a mesma técnica, Lončar e sua equipe gravaram ressonadores anelares e guias de onda acoplados em niobato de lítio de película fina. No primeiro dispositivo, dois ressonadores acoplados formam uma estrutura em formato de oito. A luz de entrada viaja do guia de ondas através dos ressonadores em um padrão de oito, entrando como uma cor e emergindo como outra. Este dispositivo fornece mudanças de frequência de até 28 gigahertz com cerca de 90% de eficiência. Ele também pode ser reconfigurado como divisores de feixe no domínio da frequência sintonizáveis, onde um feixe de uma frequência é dividido em dois feixes de outra frequência.

O segundo dispositivo usa três ressonadores acoplados: um pequeno ressonador em anel, um ressonador oval longo denominado ressonador de pista e um ressonador retangular. À medida que a luz acelera em torno do ressonador da pista de corrida, ela se espalha em frequências cada vez mais altas, resultando em uma mudança de até 120 gigahertz.

“Somos capazes de atingir essa magnitude de mudança de frequência usando apenas um único sinal de microondas de 30 gigahertz”, disse Yaowen Hu, assistente de pesquisa do SEAS e primeiro autor do artigo. “Este é um tipo completamente novo de dispositivo fotônico. Tentativas anteriores de mudar frequências em quantidades maiores do que 100 gigahertz foram muito difíceis e caras, exigindo um sinal de microondas igualmente grande. ”

“Este trabalho foi possibilitado por todos os nossos desenvolvimentos anteriores em fotônica integrada de niobato de lítio”, disse Lončar. “A capacidade de processar informações no domínio da frequência de maneira eficiente, compacta e escalável tem o potencial de reduzir significativamente as despesas e os requisitos de recursos para circuitos fotônicos de grande escala, incluindo Computação quântica, telecomunicações, radar, processamento de sinal óptico e espectroscopia. ”

Referência: “Comutadores de frequência eletro-ópticos on-chip e divisores de feixe” por Yaowen Hu, Mengjie Yu, Di Zhu, Neil Sinclair, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Jeffrey Holzgrafe, Eric Puma, Mian Zhang e Marko Lončar, 24 de novembro 2021, Natureza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03999-x

O Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia de Harvard protegeu a propriedade intelectual associada a este projeto e está buscando oportunidades de comercialização.

A pesquisa é coautoria de Mengjie Yu, Di Zhu, Neil Sinclair, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Jeffrey Holzgrafe, Eric Puma e Mian Zhang. Foi apoiado em parte pelo US Office of Naval Research sob a concessão QOMAND N00014-15-1-2761, o Air Force Office of Scientific Research sob as concessões FA9550‐19-1‐0310 e FA9550-20-1-0105, o National Science Foundation, sob concessões ECCS-1839197, ECCS-1541959, PFI-TT IIP-1827720, Army Research Office sob concessões W911NF2010248, e Departamento de Energia sob concessões HEADS-QON DE-SC0020376.





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