Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont démontré un nouveau niveau d'isolation optique nécessaire pour faire progresser le traitement du signal optique sur puce. La technique impliquant l'interaction lumière-son peut être mise en œuvre dans presque tous les processus de fonderie photonique et peut avoir un impact significatif sur les systèmes de calcul et de communication optiques.

« Les isolateurs optiques à faible perte sont des composants essentiels pour le routage et la protection du signal, mais leur intégration à l'échelle de la puce dans les circuits photoniques n'est pas encore pratique. Les isolateurs agissent comme des diodes optiques en laissant passer la lumière dans un sens tout en la bloquant dans le sens opposé, " a expliqué Gaurav Bahl, professeur adjoint de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'Illinois. "Dans cette étude, nous avons démontré qu'une isolation optique complète peut être obtenue dans n'importe quel guide d'ondes diélectrique en utilisant une approche très simple, et sans l'utilisation d'aimants ou de matériaux magnétiques."

Les caractéristiques clés des isolateurs optiques idéaux sont qu'ils doivent permettre une lumière sans perte dans un sens, tout en absorbant parfaitement la lumière dans le sens inverse, c'est-à-dire la condition d'isolement « complet ». Les isolateurs idéaux doivent également avoir une large bande passante et doivent être linéaires, c'est-à-dire que la longueur d'onde du signal optique ne change pas à travers l'appareil et que les propriétés sont indépendantes de la force du signal. La meilleure méthode, à ce jour, pour obtenir l'isolement avec ces caractéristiques a été par l'effet de rotation magnéto-optique de Faraday se produisant dans des matériaux gyrotropes spéciaux, par exemple. cristaux de grenat. Malheureusement, cette technique s'est avérée difficile à mettre en œuvre dans la photonique à l'échelle des puces en raison de la complexité de fabrication, difficulté à confiner localement les champs magnétiques, et des pertes matérielles importantes. Face à ce défi, plusieurs alternatives non magnétiques pour rompre la réciprocité ont été explorées à la fois théoriquement et expérimentalement.

Dans une étude précédente, L'équipe de recherche de Bahl a démontré expérimentalement, pour la première fois, le phénomène de transparence induite par la diffusion Brillouin (BSIT), dans lequel le couplage lumière-son peut être utilisé pour ralentir, accélérer, et bloquer la lumière dans un guide d'ondes optique.

"L'aspect le plus significatif de cette découverte est l'observation que le BSIT est un phénomène non réciproque - la transparence n'est générée que dans un sens. Dans l'autre sens, le système absorbe toujours la lumière, " a déclaré Bahl. " Ce comportement non réciproque peut être exploité pour construire des isolateurs et des circulateurs qui sont des outils indispensables dans la boîte à outils d'un concepteur optique. "

"Dans ce travail, nous démontrons expérimentalement une isolation optique linéaire complète dans un système guide d'ondes-résonateur composé entièrement de verre de silice, en poussant l'interaction BSIT dans le régime de couplage fort, et sonder la transmission optique à travers le guide d'ondes dans les directions avant et arrière simultanément, " a déclaré JunHwan Kim, un étudiant diplômé et premier auteur de l'article, "Isolation optique linéaire complète à l'échelle microscopique avec une perte ultra-faible, " apparaissant dans Rapports scientifiques .

"Expérimentalement, nous avons démontré un isolateur linéaire capable de générer un contraste record de 78,6 dB pour seulement 1 dB de perte d'insertion directe dans la bande d'isolation, " J. Kim a ajouté. " Cela signifie que la lumière se propageant vers l'arrière est près de 100 millions de fois plus fortement supprimée que la lumière vers l'avant. Nous démontrons également la reconfiguration optique dynamique de la direction d'isolement."

"Actuellement, l'effet a été démontré dans une bande passante étroite. À l'avenir, une isolation de bande passante plus large peut également être envisagée si le guide d'ondes et le résonateur sont intégrés sur puce, puisque les problèmes mécaniques restants peuvent être éliminés et les modes d'interaction peuvent être conçus avec précision, " a déclaré Bahl. " Atteindre une isolation optique linéaire complète grâce à des interactions opto-mécaniques comme le BSIT qui se produisent dans tous les médias, indépendamment de la cristallinité ou de l'amorphicité, structure de bande matérielle, polarisation magnétique, ou présence de gain, garantit que la technique pourrait être mise en œuvre avec presque n'importe quel matériau optique dans presque n'importe quelle fonderie photonique commerciale. »

Puisqu'il évite les champs magnétiques ou les champs radiofréquences, cette approche est particulièrement intéressante pour les technologies de microsystèmes à atomes froids à l'échelle de la puce, pour l'isolement et l'obturation des signaux optiques, et une protection laser sur puce sans perte.