Le contrôle de mode est essentiel pour les communications optiques et les technologies de traitement des données. Qu'il s'agisse de connexions et de commutateurs dans les lignes de transmission de données ou d'une sorte de dispositif non réciproque pour les circuits optiques, la capacité de contrôler, par exemple, si le mode de sortie sera pair ou impair pour un mode d'entrée donné est la clé. Maintenant, des chercheurs en Chine et au Canada ont démontré comment obtenir un transfert de mode optique efficace dans des appareils plus compacts qu'auparavant en exploitant des « points exceptionnels » avec de nouvelles propriétés mobiles.

"Il est toujours difficile de réaliser de tels appareils avec un volume réduit au minimum, faible perte d'insertion, et haute efficacité, " explique Bing Wang, chercheur au Laboratoire national d'optoélectronique de Wuhan, Université des sciences et technologies de Huazhong en Chine, et l'auteur principal du rapport de ces derniers résultats. Pour relever le défi, lui et des collaborateurs du Laboratoire national d'optoélectronique de Wuhan, Institut de technologie de Wuhan, le Chinese Academy of Sciences Centre for Excellence in Ultra-Intense Laser Science à Shanghai et l'Université d'Ottawa ont étudié le comportement des « points exceptionnels » - un concept mathématique qui a récemment suscité un intérêt pour les systèmes à micro-ondes et à guidage optique en raison du transfert de mode possible avec les propriétés topologiques qu'ils décrivent.

Cependant, les efforts antérieurs pour exploiter des points exceptionnels dans les dispositifs de transfert de mode ont été entravés par des contraintes d'optimisation de l'efficacité et de la transmittance de transfert de mode, ce qui entraîne inévitablement des guides d'ondes longs qui ne sont pas adaptés à des applications plus compactes. Pour la première fois, Wang et ses collaborateurs ont envisagé la possibilité de points exceptionnels qui pourraient bouger. Cela leur a permis d'atteindre une efficacité de transfert de mode et une transmittance élevées dans un guide d'ondes beaucoup plus court.

Qu'est-ce qu'un point exceptionnel ?

Une variété décrit un espace topologique qui ressemble localement à l'espace euclidien en chaque point. Dans un espace réel à une dimension, cela peut inclure des lignes ou des cercles, mais pas des chiffres de huit, car le point de passage ne se trouverait pas dans l'espace euclidien. Les nombres complexes comprennent des parties réelles et imaginaires, où la partie imaginaire est proportionnelle à la racine carrée de 1 et est souvent utilisée pour décrire le comportement d'amortissement dans les systèmes physiques. En raison des deux composants, une variété complexe à une dimension est présentée comme un plan appelé surface de Riemann, qui pourraient représenter des valeurs propres de l'énergie d'un mode particulier dans un système avec dissipation. Le point exceptionnel est la singularité de branchement où se rencontrent deux modes, et c'est la propriété topologique qui permet le transfert de mode dans le système.

Wang et ses collègues ont fabriqué des guides d'ondes avec deux réseaux gravés dans du silicium sur de l'oxyde de silicium. Les ondulations sur les bords de la grille affectent la perte effective du système. Si des tracés de la largeur du réseau et de la séparation du réseau encerclent les coordonnées du point exceptionnel, le transfert de mode se produit, ainsi, une entrée en mode pair ou impair entraîne une sortie en mode pair ou impair en fonction des paramètres du système. Cependant, soit le point exceptionnel est proche de l'extrémité d'entrée du guide d'onde de sorte que les valeurs propres l'encerclent facilement pour un transfert de mode efficace, mais la transmittance est faible en raison de la perte élevée du système. Alternativement, le point exceptionnel est éloigné de l'entrée du guide d'ondes de sorte que l'efficacité de transfert de mode est compromise à moins que le guide d'ondes ne soit beaucoup plus long.

Passer au groove

Wang et ses collègues ont contourné le compromis entre la longueur du guide d'ondes et les performances en faisant varier la largeur et la séparation des réseaux, ce qui a permis aux points exceptionnels de se déplacer. « Déplacer des points exceptionnels est une percée conceptuelle puisqu'ils sont à l'origine considérés dans un espace de paramètres à deux dimensions, " explique Wang, qui était lui-même surpris de la façon dont fonctionnait l'approche.

En réalité, lui et ses collègues s'étaient concentrés sur la réduction de la perte avec des points exceptionnels stables en modifiant les ondulations du réseau des guides d'ondes. "De cette façon, cependant, nous avons remarqué que le point exceptionnel n'est plus fixe, " Wang raconte phys.org. Après avoir développé la théorie pour expliquer l'effet, ils ont pu confirmer leurs résultats par des simulations numériques.

Ils s'attendent à ce que l'effet soit utile pour les convertisseurs optiques, coupleurs, filtres et interrupteurs dans les appareils intégrés, ainsi que des isolateurs et circulateurs optiques à large bande, qui apportent une polarisation de direction de type électronique aux circuits optiques. Ils pensent également qu'il devrait s'appliquer aux ondes acoustiques et de matière.

Prochain, ils prévoient de manipuler les points exceptionnels en temps réel. LiNbO 3 a un fort effet électro-optique, afin qu'ils puissent manipuler la permittivité effective du guide d'ondes en modifiant un champ électrique externe.

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