Elektronik Olarak Programlanabilen Fotonik Molekül

Bilim adamları tarafından, harici mikrodalga uyarımı ile kontrol edilebilen çift lityum niyobat mikro-halka rezonatörleri kullanılarak, iki ayrı enerji seviyesine sahip fotonik molekül tasarlandı. Detaylar haberimizde.

A- A+

31.12.2018 tarihli yazı 6994 kez okunmuştur.

Elektron yüksek enerji düzeyinden düşük enerji düzeyine geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık yayar. Buna da foton denir. Ayrık enerjili fiziksel sistemler, kuantum teknolojisinin temel yapı taşıdır ve doğada her yerde bulunur. Yapay atom benzeri ve molekül benzeri sistemlerin; fotonların faz, genlik ve frekansının kontrollü bir şekilde ışığı düzenlediği görüldü. Son yapılan araştırmalarda Mian Zhang ve arkadaşları, harici mikrodalga uyarımı ile kontrol edilen çift lityum niyobat mikro-halka rezonatörlerini kullanarak, iki ayrı enerji seviyesine sahip fotonik molekül tasarladılar.

Işığın frekansı ve fazı, Autler-Townes bölmesini (uygulanan mikrodalga frekansı mod ayrımı ile eşleşecek şekilde ayarlandığında, dağıtıcı kuplaj, iki fotonik seviyenin dört seviyeye bölünmesine neden olur.), Stark kaymasını (mikrodalga, fotonik mod bölünmesinden uzak durduğunda, fotonik enerji seviyeleri dağınık bir etki yaşar.), Rabi salınımını ve Ramsey parazit olaylarını içermek üzere kanonik iki seviyeli sistemleri kullanan programlanmış mikrodalga sinyalleri tarafından tam olarak çalıştırılabilir. Böylesi tutarlı bir kontrolle, bilim adamları fotonik molekülü, parlak-karanlık mod çiftinde yeniden yapılandırarak talep üzerine optik depolama ve geri alım olduğunu gösterdiler.

►İlginizi Çekebilir: Parçacık Foton ile Şemsiye Yapımı

Gigahertz mikrodalga sinyalleri ile dinamik olarak kontrol edilebilen, programlanabilir fotonik iki seviyeli bir sistemi gerçekleştirmek için mevcut performans değişimleri aşıldı. Bunu başarmak için, bilim adamları birbirine yakın desenli bir çift entegre lityum niyobatlı mikro-halka rezonatörleri kullanarak (yarıçapı 80 um) adreslenebilir fotonik molekül yarattılar. Düşük optik kaybı, optik dalga kılavuzları ve mikrodalga elektrotların verimli bir şekilde entegrasyonu; büyük bir elektrik bant genişliğinin (>30GHz), güçlü modülasyon verimliliğinin ve uzun foton ömrünün (~2ns) eşzamanlı olarak gerçekleştirilmesine izin verdi.

İki seviyeli bir sistemin fotonik bir analoğu, elektronikler ve optikteki karmaşık fiziksel olayların araştırılmasını kolaylaştırabilir. Bu sistemler, talep üzerine benzersiz foton depolama ve alma, uyumlu optik frekans kayması ve oda sıcaklığında optik kuantum bilgi işlemesi dahil olmak üzere önemli işlevleri iletir.

Fotonik iki seviyeli sistemlerin dinamik kontrolü için elektro-optik yöntemler; hızlı tepkiler vermesi, programlanabilir olması ve büyük ölçekli entegrasyon olasılıkları nedeniyle idealdir. İki seviyeli bir sistemin elektro-optik kontrolü için, her enerji durumunun foton ömrü, sistemin bir durumdan diğerine sürülmesi için gereken süreden daha uzun olmalıdır. Konvansiyonel tümleşik fotonik platformlar, eşzamanlı olarak uzun foton ömrü ve hızlı modülasyon gereksinimlerini karşılamamıştır. Elektriksel olarak aktif fotonik platformlar (silisyum, grafen ve diğer polimerlere dayanarak), gigahertz frekanslarında hızlı elektro-optik modülasyona izin verir, ancak daha kısa foton ömürlerinden muzdariptir. Bununla birlikte, dar bantlı mikrodalga sinyalleri minimum gürültü ve ölçeklenebilirlik ile çok daha iyi kontrol sunduğundan, saf elektriksel ayarlama hala oldukça istenmektedir. Bilim adamları, fotonik molekülün optik iletiminin bir telekom-dalga boyu lazer kullanılarak ölçülen, bir çift iyi tanımlanmış optik enerji seviyesini desteklediğini göstermiştir. Işığın bir rezonatörden diğerine yükselmesi, iki iyi çözülmüş optik enerji seviyesini oluşturmak için mikro-halka rezonatörler arasında 500 nm’lik bırakılan boşlukla sağlandı. Bilim adamları, fotonik molekülün kontrolünü göstermek için atomik ve fotonik iki seviyeli bir sistem arasındaki analojiyi araştırdılar.

Bu araştırmalar sonucunda elde edilen bilgiler şu şekildedir: Cihaz, optik olarak 1630 mn merkezli bir ayarlanabilir telekom lazeri ile pompalanır. Işık, lensli bir fiber ile çipe bağlanmadan önce harici bir elektro-optik modülatör ve polarizasyon kontrol cihazlarından (PLC) gönderilir. Aynı zamanda lensli bir fiber ile birleştirilmiş optik çıkış sinyali, 12 GHz’lik bir foto algılayıcı gönderir. Dönüştürülen elektrik sinyali bir osiloskopa yönlendirilir. Mikrodalga kontrol sinyalleri isteğe bağlı bir dalga üreteci (AWG) tarafından üretilir ve cihaza gönderilmeden önce de yükseltilir. Mikro-rezonatörler üzerinde DC kontrolüne izin vermek için bir sapma (Bias T) kullanılır. Mikro-rezonatörlerden elektriksel yansımayı yakalamak için bir elektrikli izolatör kullanılır. Osiloskop, cihaz sürüş sinyalleri ve modülatör sürüş sinyallerinin tümünü senkronize eder.

►İlginizi Çekebilir: X-Işınları Elektronik Cihazlara Zarar Verir mi?

Yapılan deneylerde, ayarlanabilir telekom dalga boyu lazerinden gelen ışık, lityum niyobat dalga kılavuzlarına sokuldu ve onlardan bir çifti lensli optik fiber aracılığıyla toplandı. Bilim adamları, mikrodalga amplifikatörlerini elektrik amplifikatörlerine göndermeden önce çalıştırmak için rastgele bir dalga şekli jeneratörü kullandılar. Sistemde gözlemlenen mikrodalgalar ve optik alanlar arasındaki verimli örtüşme, daha önce toplu elektro-optik sistemlerde gözlemlenenden daha yüksek ayar/modülasyon etkinliği sağlamıştır. Bu uyumlu mikro-optik dönüşüm, gelecekte kuantum bilgi ağlarındaki uygulamalar için, elektronik kuantum işlemlerini ve hafızalarını düşük kayıplı optik telekomünikasyon yoluyla bağlayabilir.

Bilim adamları daha sonra fotonik iki seviyeli bir sistemi kontrol etmek için, sürekli dalga uyumlu bir mikrodalga alanı kullandılar. Sistemin ayrılma frekansı, mikrodalga sinyallerinin genliğini kontrol ederek birkaç gigahertze kadar hassas bir şekilde kontrol edildi. Fotonik moleküldeki tutarlı spektral dinamikler, fotonik iki seviyeli sisteme uygulanan çeşitli mikrodalga kuvvetleri açısından incelendi. Bilim adamları ayrıca, Rabi salınımı ve Ramsey girişimi kullanılarak sistemin kontrol edilen genliğini ve fazını da açıkladılar.

Çalışmalarda bilim adamları, harici bir dalga kılavuzundan ışığın rezonatöre kontrollü bir şekilde yazılmasını ve okunmasını deneysel olarak kolaylaştırmak için çift halkalı sistemi, bir çift parlak ve karanlık moda yeniden yapılandırarak 15 volt DC gerilim uygulandı. Bununla birlikte bilim adamları, optik dalga kılavuzlarına hem parlak hem de karanlık moda erişim sağladılar. Işığın parlaktan karanlık moda geçebilmesi için mikrodalga darbesi uygulanır. Böylece ışık, aydınlık-karanlık mod çifti ve mikrodalga kontrol kullanılarak saklanabilir ve alınabilir. Yapılan bu çalışmalar fotonlar üzerinde yeni bir kontrol şekline yol açar. Sonuçlar sinyal işleme ve kuantum fotonikte potansiyel olarak acil uygulamalar ile yapılan ilk adımdır.

Elektronik olarak ayrık enerji seviyeli fotonik moleküllerin programlanabilmesi, mikrodalga fotonik sinyal işleme, frekans alanındaki kuantum fotonik, optik hesaplama kavramları ve karmaşık fiziksel sistemlerin simülasyonlarındaki uygulamalara kapı açar.

Yazar:Şule Güneş

►phys.org
►arxiv.org