Contrôle ultrarapide des microlasers quasi-BIC. (A) Schéma d'expériences de pompage à deux faisceaux. Deux faisceaux sont désaccordés spatialement avec une distance d <2R, étant décalée temporellement avec un temps de retard . Les encarts montrent les modèles d'émission en champ lointain de la métasurface pérovskite sous des excitations symétriques et asymétriques. (B) Transition d'un microlaser BIC à un laser à polarisation linéaire. I1, 2 sont les intensités dans les régions marquées dans l'insert à (A). Les encarts montrent les profils de poutre correspondants. (C) Processus inverse de (B). (D) Transition d'un faisceau de beignet à un faisceau à deux lobes et retour en quelques picosecondes. Les courbes rouges sont des lignes directrices pour le calcul du temps de transition. Crédit: Science (2020). DOI :10.1126/science.aba4597
L'interrupteur tout optique est une sorte d'appareil qui contrôle la lumière avec la lumière, qui est la pierre angulaire des communications optiques modernes et du traitement de l'information. Créer un système efficace, ultrarapide, et le commutateur tout optique compact a été reconnu comme l'étape clé pour le développement de l'informatique optique et quantique de nouvelle génération. En principe, les photons n'interagissent pas directement entre eux dans le régime linéaire de faible puissance, et une cavité est généralement nécessaire pour améliorer par résonance le champ de lumière de contrôle et augmenter l'interaction. Dans les premiers travaux, les performances des commutateurs tout optique ont été améliorées rapidement en optimisant les résonateurs tels que les micro-anneaux ou les cristaux photoniques. Pour d'autres améliorations, le domaine de recherche atteint la limite :le compromis entre une consommation d'énergie ultrafaible et un temps de commutation ultracourt.
"Une faible consommation d'énergie nécessite généralement un facteur Q élevé du résonateur, alors que le mode Q élevé à durée de vie plus longue impose un obstacle à l'amélioration de la vitesse de commutation, " a déclaré Qinghai Song de l'Institut de technologie de Harbin, Chine. "Une approche alternative avec la nanostructure plasmonique a été récemment exploitée pour rompre le compromis. La perte d'insertion et de propagation atteint 19 dB et une consommation d'énergie supplémentaire est nécessaire pour amplifier les signaux."
Les actions durables au niveau des états limites protégés topologiquement dans le continuum ont le potentiel de résoudre éventuellement ce défi de longue date. Dans Science , chercheurs de l'Institut de technologie de Harbin, L'Australian National University et la City University of New York détaillent leur innovation du mécanisme de commutation aux états bornés topologiquement protégés dans le continuum (BIC), qui offre une transition ultrarapide de l'émission microlaser d'un faisceau de donut polarisé radialement à des lobes polarisés linéairement et vice versa. Le facteur Q extrêmement élevé des BIC peut réduire considérablement le seuil laser et éventuellement rompre le compromis ci-dessus dans les commutateurs tout optique conventionnels.
La prochaine étape de cette recherche consiste à intégrer en cascade plusieurs de ces microlasers commutables avec une puce photonique intégrée et à effectuer des opérations de logique optique. C'est la condition préalable à l'objectif ultime, l'informatique optique ou quantique.
Utilisation de BIC protégés par symétrie
Les commutateurs tout optique ultrarapides conventionnels utilisent soit l'indice de réfraction non linéaire, soit l'absorption non linéaire pour produire un bit optique. De telles techniques nécessitent soit une fluence d'excitation élevée pour produire un décalage de longueur d'onde, soit une perte supplémentaire pour moduler la transmission, encore limité par le compromis.
Les chercheurs résolvent ce problème avec les caractéristiques optiques des BIC, qui a été initialement proposé par Von Neumann et Wigner en mécanique quantique et a été récemment revisité en optique. Bien que le BIC accidentel ait attiré la plupart de l'attention de la recherche en raison de sa robustesse, cette recherche se concentre sur les émissions laser des BIC protégés contre la symétrie. Par rapport aux BIC accidentels, ce dernier est extrêmement sensible aux perturbations de bris de symétrie. Le gain exceptionnel d'un système laser, correspondant à la partie imaginaire de l'indice de réfraction (n"), peut être un paramètre nouveau et efficace pour le contrôle ultrarapide de la symétrie et des émissions laser en champ lointain liées à la symétrie correspondantes au niveau des BIC.
Pour tester le concept, les chercheurs ont fabriqué une nanostructure périodique en réseau carré dans un MAPbBr
"L'émission laser directionnelle avec OAM n'est pas surprenante, " dit Song. "Cela a été observé et expliqué par B. Kante de l'UC Berkeley. Elle concerne le vortex de polarisation aux BIC et le moment angulaire de spin transverse induit par les échantillons réels. Il peut également être réalisé avec une excitation optique polarisée circulairement. Comparativement, le microlaser BIC est plus intrigant en commutation tout optique."
Les chercheurs montrent que le profil de pompage peut contrôler efficacement les lasers BIC. En augmentant partiellement le gain optique avec le deuxième faisceau, la symétrie de rotation quadruple est brisée et le laser BIC se dégrade en un laser à cristal photonique conventionnel. Par conséquent, le faisceau de donut transite vers deux lobes polarisés linéairement. Une telle transition et son inversion se produisent dans un temps de 1-1,5 ps. Une transition complète d'un beignet à deux lobes et de retour à un beignet a également été réalisée en 2-3 ps. Un tel temps de commutation est plus d'un ordre de grandeur plus rapide que la durée de vie du microlaser BIC, démontrant clairement que la limitation de la durée de vie du laser sur le temps de commutation est rompue.
"Un tel contrôle ultrarapide est attribué aux caractéristiques de champ lointain des BIC, " a déclaré Song. " Les BIC sont formés par des interférences destructrices au niveau des canaux de rayonnement. Considérant le rayonnement de champ lointain, le passage des microlasers BIC aux lasers conventionnels représente une redistribution de l'émission laser au lieu d'une activation/désactivation directe du mode laser."
Le seuil laser est d'environ 4,2 mW/cm 2 , donnant une consommation d'énergie par bit similaire aux commutateurs tout optique actuels. "C'est parce que la qualité de nos nanostructures de pérovskite est faible et que le facteur Q ultra-élevé des BIC n'a pas été pleinement utilisé, " dit Song. " Finalement, le seuil peut être encore réduit d'ordres de grandeur avec les BIC et briser toutes les limitations des commutateurs tout optique.
Le mécanisme démontré n'est pas limité par l'excitation optique. Des microlasers BIC à commande électrique avec commutation ultrarapide sont également possibles et l'intégration sur puce en cascade de ces lasers BIC commutables ultrarapides est également essentielle pour l'informatique optique et quantique. Cette recherche est publiée dans Science le 28 février, 2020.
