Een microscopisch kleine rotonde voor licht

AMOLF ontwikkelt een optische circulator zonder magneten

Circulatoren zijn belangrijke componenten in communicatietechnologie. De unieke manier waarop ze lichtsignalen rondleiden wordt doorgaans mogelijk gemaakt door magneten. Dit principe is echter te groot voor toepassing op optische chips. Wetenschappers van AMOLF en de Universiteit van Texas vonden de oplossing in een trillende glazen ring die een wisselwerking aangaat met licht. Deze circulator is kleiner dan de diameter van een haar en stuurt lichtsignalen op een optische chip in de gewenste richting, zónder magneten. De onderzoekers publiceren hun werk in Nature Communications op 4 mei 2018.

Een circulator maakt het mogelijk om zonder verlies informatie te transporteren tussen meer dan twee knooppunten in een netwerk. Ze worden daarom nu al breed toegepast in optische netwerken. Circulatoren hebben meerdere in- en uitgangen (‘poorten’) waartussen ze licht rondsturen op een bijzondere manier: licht dat binnenkomt bij de eerste poort moet de circulator verlaten bij de tweede poort, maar licht dat bij die tweede poort binnenkomt, wordt naar de derde gestuurd, en zo verder.

“De voortplanting van licht is normaliter symmetrisch, wat betekent dat als licht van A naar B kan gaan, het ook de omgekeerde route kan volgen. Die symmetrie kunnen we enkel breken met een truc”, zegt AMOLF groepsleider Ewold Verhagen. “Vaak worden magneten gebruikt om de symmetrie te breken en het licht één richting te geven. Maar door de schaal van de benodigde magneten is het moeilijk zo’n systeem te verkleinen voor gebruik op een fotonische chip.”

Trillende ring van glas
Verhagen en zijn collega’s hebben een andere truc gebruikt om het gedrag van een circulator te krijgen. Ze gebruiken een microscopisch kleine, trillende ring van glas. In die ring gaat het licht interacties aan met mechanische trillingen van de structuur. Dit principe gebruikten ze eerder voor een één-richtingsweg voor licht. “We laten licht van een controlelaser rondgaan in de ring. Als er dan licht van een andere kleur ook de ring binnenkomt gaat de ring trillen, door een kracht die we stralingsdruk noemen. Dit gebeurt alleen als het licht in dezelfde richting loopt als het controlelicht”, legt Verhagen uit. “Omdat licht anders beweegt door een trillende structuur dan door een structuur die niet trilt, breekt de stralingsdruk de symmetrie op dezelfde manier als een magnetisch veld dat zou doen.”

Rotonde voor licht
De stap van een ‘één-richtingsweg’ voor licht naar een optische ‘rotonde’ is niet zo makkelijk als het lijkt, vertelt postdoc John Mathew: “We wilden de poort waarin het licht de ring verlaat, steeds precies één poort verder laten zijn dan waarin het binnenkwam.” Door gebruik te maken van interferentie lukte het de onderzoekers de optische routes in de ring precies te beheersen.
“We hebben de ‘rotonde’-werking in experimenten getest en laten zien dat deze ook instelbaar is. Met het afstemmen van de frequentie en het vermogen van de controlelaser kunnen we de circulatie aan- en uitzetten of de richting veranderen”, zegt Mathew.

Informatienetwerken
De licht-‘rotonde’ van AMOLF blijkt de eerste magneet-vrije circulator op een chip te zijn. Hoewel het onderzoek fundamenteel van aard is, heeft het vele mogelijke toepassingen. Verhagen: “Devices zoals deze circulator kunnen de bouwstenen vormen voor chips met licht in plaats van elektronen als informatiedrager. Dat geeft vele mogelijkheden in communicatienetwerken en zelfs in toekomstige quantumcomputers. Dat we de circulator naar wens kunnen afstemmen geeft extra functionaliteit.”

Referentie
Ruesink, J. P. Mathew, M.-A. Miri, A. Alù, and E. Verhagen, “Optical circulation in a multimode optomechanical resonator,” Nature Communications 9 (2018).DOI: 10.1038/s41467-018-04202-y

Schematische weergave van de lichtcirculator
A. Schematische weergave van de ontwikkelde circulator met de optomechanische ring gekoppeld aan twee dunne glasfibers. De toegestane lichtpaden in aanwezigheid van de controlelaser zijn ingetekend.
B. Deze opstelling resulteert in een rotonde voor licht met vier wegen en een richting tegen de klok in, zoals hier schematisch weergegeven. Licht dat binnenkomt (vaste lijn), verlaat de rotonde via de naastgelegen weg (stippellijn). Credits: John Mathew (AMOLF)