Logre propiedades ópticas sin resonador en el rango de sub-MHz en sólidos

Logre propiedades ópticas sin resonador en el rango de sub-MHz en sólidos


17 de junio de 2022

(Proyector de Nanowerk) Las características ópticas ultraestrechas con un ancho de banda espectral por debajo de 1 megahercio son muy deseables para aplicaciones de detección de ultra alta precisión, filtrado de banda estrecha y almacenamiento de información para computación óptica, pero lamentablemente son extremadamente difíciles de generar. Tradicionalmente, los resonadores de alto Q que exhiben una mínima pérdida de potencia óptica se utilizan para crear tales características en estado sólido, pero requieren procesos de fabricación complejos y costosos, lo que limita su producción comercial a gran escala.

Pero ahora existe una forma novedosa de lograr características ópticas ultraestrechas. Y a diferencia de los enfoques tradicionales, es de bajo costo, tiene un ensamblaje simple y no tiene pérdidas, al tiempo que ofrece capacidad de ajuste bajo demanda y sensibilidad ultra alta.

correo registrado fotónica de la naturaleza («Sub-Megahertz Spectral Dip in a Resonator-Free Twisted Gain Medium»), los investigadores de la Universidad de Toronto han demostrado un enfoque sin resonador para crear estas características ultraestrechas utilizando productos de estado sólido disponibles en el mercado.

«Utilizamos la ganancia dependiente de la polarización en un medio óptico de par trenzado para realizar características espectrales de submegahercios (0,72 MHz)», dice Neel Choksi, estudiante de doctorado en el grupo Qian del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Toronto, primer autor del publicación. explica Nanowerk. «Como ejemplo, usamos la ganancia de Brillouin, una ganancia dependiente de la polarización en una fibra hilada comercialmente, ¡y realizamos la característica de Brillouin más estrecha jamás reportada! Este efecto nunca ha sido estudiado y se describe en la literatura y en este artículo. fotónica de la naturaleza es su primera demostración». Resultados experimentales y teóricos que muestran una caída espectral de submegahercios en el espectro de ganancia de Brillouin de una fibra hilada Resultados experimentales y teóricos que muestran una caída espectral de submegahercios en el espectro de ganancia de Brillouin de una fibra hilada. (Reimpreso con permiso de Springer Nature Limited)

Choksi señala que este enfoque no se limita a la ganancia de Brillouin y las fibras hiladas. También es posible utilizar otros mecanismos de ganancia dependientes de la polarización bien conocidos, como p. B. Amplificación Raman o amplificación paramétrica. Y en lugar de fibras hiladas, se podrían utilizar alternativas como guías de ondas en espiral o guías de ondas quirales.

«La simplicidad de nuestro enfoque, su ancho de banda ultraestrecho y la capacidad de ajuste bajo demanda pueden tener una amplia gama de aplicaciones potenciales, desde el almacenamiento de información hasta la fotónica de microondas y la detección de ultra alta precisión», señala.

En la dispersión de Brillouin (llamada así por el físico francés León Nicolas Brillouin, quien describió por primera vez este fenómeno en 1922), la luz compuesta de fotones interactúa con vibraciones elásticas compuestas de fonones a muy altas frecuencias (decenas de GHz) en un área media transparente. Este es un efecto indeseable en las comunicaciones ópticas, pero ha demostrado ser útil para aplicaciones de detección y espectroscopia.

«Es muy difícil reducir el ancho de banda de la ganancia de Brillouin y hay que construir el espectro para reducir el ancho de banda de la ganancia espectral», dice Choksi. “Sin embargo, incluso con la ingeniería de espectro, no fue posible reducir el ancho de banda de ganancia espectral por debajo de 1 megahercio. Entonces, uno puede preguntarse: ¿cómo logramos tales características espectrales de sub-megahercios con la amplificación Brillouin?

«Las fibras hiladas también se conocen y utilizan para el desarrollo de sensores de corriente comerciales desde hace bastante tiempo», continúa. «Pero nunca se han informado características espectrales tan nítidas en fibras hiladas. Entonces, uno puede preguntar nuevamente: ¿cómo logramos tales características con fibras hiladas? La respuesta: porque utilizamos una combinación de fibras hiladas y ganancia de Brillouin”.

Las fibras hiladas tienen una propiedad especial: tienen dos modos propios de polarización que son sensibles a los cambios de frecuencia. Cuando los investigadores hacen brillar la luz con estas polarizaciones, no experimenta ninguna mejora de Brillouin y recorre toda la longitud de la fibra sin verse afectada. Pero cuando se desvían ligeramente de la frecuencia de la luz (<0,5 MHz), la polarización de la luz se desvía de los modos propios y la luz experimenta un alto realce de Brillouin.

Por lo tanto, en esta frecuencia de modo propio particular, hay una fuerte caída (ancho de banda de sub-megahercios) en la ganancia de Brillouin, mientras que la luz en todas las demás frecuencias experimenta una alta ganancia de Brillouin.

«Durante mi tesis de licenciatura, trabajé en este proyecto en el grupo del profesor Li Qian», dice Choksi, explicando cómo llegó a esta investigación. «Aprendí sobre la investigación de mis antiguos miembros del laboratorio. Sorprendentemente, habían observado una fuerte caída espectral en el espectro de ganancia de Brillouin de una fibra hilada. Curiosamente, esta caída no se ha observado con ninguna otra fibra y no se informa en ninguna parte de la literatura. Sin embargo, no pudieron averiguar el motivo de su aparición. Me di cuenta de que descubrir el motivo de su aparición podría tener un gran impacto en las áreas de detección óptica y luz lenta. Estaba profundamente fascinado por este problema, así que decidí dedicarme al estudio teórico de su ocurrencia durante mi doctorado”.

Como siguiente paso en su investigación, ahora está trabajando en las aplicaciones de este enfoque, más específicamente en una demostración de prueba de concepto de aplicaciones de detección de corriente y luz rápida.

Los resultados de esta investigación podrían ser útiles para el desarrollo de sensores ópticos de ultra alta precisión, filtrado de banda estrecha, retrasos ópticos de luz lentos/rápidos y aplicaciones de almacenamiento de información. Por ejemplo, la luz lenta y rápida generada con este enfoque podría usarse en centros de datos ópticos para implementar retrasos o búferes en la red. Además, debido a que este enfoque novedoso está basado en fibra, no es necesario actualizar o cambiar la arquitectura existente para lograr demoras.

Si bien la implementación en un entorno de laboratorio es relativamente fácil, estas técnicas serán más difíciles de implementar en productos comerciales. El desarrollo de técnicas de estabilización y técnicas de calibración precisas es necesario para mantener la sensibilidad ultra alta requerida en un entorno comercial.

«Es un momento emocionante para trabajar en fotónica, especialmente en fibra óptica y detección de fibra óptica», concluye Choksi. “El crecimiento en ambas áreas no ha tenido precedentes, impulsado por una fuerte caída en los precios de los componentes y mejoras significativas en la calidad. Además, se espera que estas áreas experimenten avances fenomenales en los próximos años, impulsados ​​principalmente por los avances en el espacio de Internet de las cosas (IoT) y la creciente necesidad de automatización y mantenimiento predictivo y preventivo en la industria. Espero que mi trabajo pueda contribuir potencialmente a este avance, especialmente en los campos de detección y almacenamiento de información. » Mediante
Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©




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