Circuits photoniques intégrés, qui dépendent de la lumière plutôt que des électrons pour déplacer l'information, promettent de révolutionner les communications, détection et traitement des données. Mais contrôler et déplacer la lumière pose de sérieux défis. Un obstacle majeur est que la lumière se déplace à différentes vitesses et dans différentes phases dans différents composants d'un circuit intégré. Pour la lumière à coupler entre les composants optiques, il faut qu'il bouge au même rythme.

Maintenant, une équipe de chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, en collaboration avec l'Université de Pékin à Pékin, a démontré une nouvelle façon de contrôler la quantité de mouvement de la lumière à large bande dans un composant optique largement utilisé connu sous le nom de microcavité à galerie de chuchotement (WGM).

Le papier, dont les co-auteurs comprennent également des chercheurs de l'Université de Washington à Saint Louis, l'Institut de technologie de Californie, et l'Université de Magdebourg, est publié dans Science .

"Le chaos optique à large bande dans la microcavité crée un outil universel pour accéder à de nombreux états optiques, " dit Linbo Shao, un étudiant diplômé dans le laboratoire de Marko Loncar, le professeur Tiantsai Lin de génie électrique, à SEAS et co-premier auteur de l'article. "Précédemment, les chercheurs ont besoin de plusieurs éléments optiques spéciaux pour coupler la lumière entrant et sortant des WGM à différentes longueurs d'onde, mais grâce à ce travail, nous pouvons coupler toutes les lumières de couleur avec un seul coupleur optique."

Un WGM est un type de microrésonateur optique utilisé dans une grande variété d'applications, de la transmission à longue distance dans les fibres optiques à l'informatique quantique. Les WGM portent le nom des galeries chuchotantes de la cathédrale Saint-Paul de Londres, où une onde acoustique (un murmure) circule à l'intérieur d'une cavité (le dôme) d'un haut-parleur d'un côté à un auditeur de l'autre. Des phénomènes similaires se produisent dans le mur de l'écho du Temple du Ciel en Chine et dans l'arche chuchotante de la gare Grand Central à New York.

Les galeries de chuchotement optique fonctionnent à peu près de la même manière. Des ondes lumineuses piégées dans un environnement très confiné, espace circulaire - plus petit qu'une mèche de cheveux - orbite autour de l'intérieur de la cavité. Comme le mur qui murmure, la cavité piège et transporte l'onde.

Cependant, il est difficile de coupler les champs optiques des guides d'ondes aux champs optiques des galeries chuchotantes dans les circuits photoniques car les ondes se déplacent à des vitesses différentes.

Considérez un WGM comme un rond-point d'autoroute et les champs optiques comme des camions UPS. Maintenant, imaginez essayer de transférer un colis entre deux camions alors que les deux se déplacent à des vitesses différentes. Impossible, droit?

Afin de résoudre cette différence de quantité de mouvement - sans briser la loi de Newton sur la conservation de la quantité de mouvement - l'équipe de recherche a créé un peu de chaos. En déformant la forme du microrésonateur optique, les chercheurs ont pu créer et exploiter des canaux dits chaotiques, dans lequel le moment angulaire de la lumière n'est pas conservé et peut changer avec le temps. En alternant la forme du résonateur, l'élan peut être réglé; le résonateur peut être conçu pour faire correspondre la quantité de mouvement entre les guides d'ondes et les WGM. Surtout, le couplage est à large bande et se produit entre des états optiques qui ne se coupleraient pas autrement.

La recherche fournit de nouvelles applications pour l'optique microcavité et la photonique dans le traitement quantique optique, stockage optique et plus encore.

"Le travail illustre une approche fondamentalement différente pour sonder cette classe importante de microrésonateurs tout en révélant également une belle physique relative au sujet du chaos optique, " a déclaré Kerry Vahala, le professeur Ted et Ginger Jenkins de sciences et technologies de l'information et professeur de physique appliquée à Cal Tech, qui n'a pas participé à cette recherche.

Prochain, l'équipe explorera la physique du chaos optique dans d'autres plates-formes et matériaux optiques, y compris les cristaux photoniques et les diamants.