La capacidad de controlar y cambiar con precisión las propiedades de un fotón, incluida la polarización, la posición en el espacio y la hora de llegada, dio lugar a una amplia gama de tecnologías de comunicación que utilizamos hoy en día, incluida Internet. La próxima generación de tecnologías fotónicas, comocomo redes cuánticas fotónicas y computadoras, requerirán aún más control sobre las propiedades de un fotón.
Una de las propiedades más difíciles de cambiar es el color de un fotón, también conocido como su frecuencia, porque cambiar la frecuencia de un fotón significa cambiar su energía.
En la actualidad, la mayoría de los cambiadores de frecuencia son demasiado ineficientes, pierden mucha luz en el proceso de conversión o no pueden convertir la luz en el rango de gigahercios, que es donde se encuentran las frecuencias más importantes para las comunicaciones, la informática y otras aplicaciones.fundar.
Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas SEAS John A. Paulson de Harvard han desarrollado cambiadores de frecuencia en chip altamente eficientes que pueden convertir la luz en el rango de frecuencia de gigahercios. Los cambiadores de frecuencia se controlan fácilmente, utilizandoy microondas de un solo tono.
"Nuestros variadores de frecuencia podrían convertirse en un bloque de construcción fundamental para los sistemas de comunicación clásicos de alta velocidad y gran escala, así como para las computadoras cuánticas fotónicas emergentes", dijo Marko Lončar, profesor de Ingeniería Eléctrica en Tiantsai Lin y autor principal del artículo.
El documento describe dos tipos de variadores de frecuencia en el chip: uno que puede convertir un color a otro, utilizando un cambio de unas pocas docenas de gigahercios, y otro que puede generar varios cambios en cascada, un cambio de más de 100 gigahercios.
Cada dispositivo está construido sobre la plataforma de niobato de litio iniciada por Lončar y su laboratorio.
El niobato de litio puede convertir de manera eficiente señales electrónicas en señales ópticas, pero muchos en el campo lo consideraron difícil de trabajar en pequeñas escalas. En investigaciones anteriores, Lončar y su equipo demostraron una técnica para fabricar microestructuras de niobato de litio de alto rendimientoutilizando grabado con plasma estándar para esculpir físicamente microrresonadores en películas delgadas de niobato de litio.
Aquí, utilizando la misma técnica, Lončar y su equipo grabaron resonadores de anillo acoplados y guías de ondas en niobato de litio de película delgada. En el primer dispositivo, dos resonadores acoplados forman una estructura en forma de ocho. La luz de entrada viaja desde la guía de ondas a través delos resonadores en un patrón en forma de ocho, entrando como un color y emergiendo como otro. Este dispositivo proporciona cambios de frecuencia de hasta 28 gigahercios con una eficiencia de aproximadamente el 90%. También se puede reconfigurar como divisores de haz de dominio de frecuencia sintonizables, donde un haz deuna frecuencia se divide en dos haces de otra frecuencia.
El segundo dispositivo utiliza tres resonadores acoplados: un resonador de anillo pequeño, un resonador ovalado largo llamado resonador de pista de carreras y un resonador de forma rectangular. A medida que la luz se acelera alrededor del resonador de pista de carreras, cae en cascada en frecuencias cada vez más altas, lo que da como resultado uncambiar tan alto como 120 gigahertz.
"Podemos lograr esta magnitud de cambio de frecuencia utilizando solo una señal de microondas de 30 gigahercios", dijo Yaowen Hu, asistente de investigación de SEAS y primer autor del artículo. "Este es un tipo completamente nuevo de fotónicaLos intentos anteriores de cambiar las frecuencias en cantidades superiores a 100 gigahercios han sido muy duros y costosos, requiriendo una señal de microondas igualmente grande ".
"Este trabajo es posible gracias a todos nuestros desarrollos anteriores en fotónica integrada de niobato de litio", dijo Lončar. "La capacidad de procesar información en el dominio de la frecuencia de una manera eficiente, compacta y escalable tiene el potencial de reducir significativamente lagastos y requisitos de recursos para circuitos fotónicos a gran escala, incluida la computación cuántica, las telecomunicaciones, el radar, el procesamiento de señales ópticas y la espectroscopia ".
La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con este proyecto y está buscando oportunidades de comercialización.
La investigación es coautora de Mengjie Yu, Di Zhu, Neil Sinclair, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Jeffrey Holzgrafe, Eric Puma y Mian Zhang. Fue financiada en parte por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. Con la subvención QOMANDN00014-15-1-2761, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea bajo las subvenciones FA9550‐19‐1‐0310 y FA9550-20-1-0105, la National Science Foundation, bajo las subvenciones ECCS-1839197, ECCS-1541959, PFI-TT IIP-1827720, Oficina de Investigación del Ejército bajo las subvenciones W911NF2010248, y Departamento de Energía bajo las subvenciones HEADS-QON DE-SC0020376.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard . Original escrito por Leah Burrows. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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