![](https://habrastorage.org/webt/f_/ac/_b/f_ac_bfhq357vykgtapuftrzx6g.jpeg)
«Счастье можно найти даже в тёмные времена, если не забывать обращаться к свету». Эти слова сказал вымышленный персонаж, который довольно далек от науки. Но в нашем мире ученые частенько обращаются к свету в поисках своего истинного счастья — новых открытий. А из чего, так сказать, состоит свет? Из фотонов. Эта элементарная частица стала основой для множества открытий, технологий и исследований. Но до сего дня полностью ее свойства никому точно не известны. Но это не мешает ученым продолжать использовать фотоны в своих трудах, практических или теоретических. Сегодня мы с вами будем знакомиться с исследованием фотонной системы, которая по словам ученых позволит заполучить полный контроль над энергией и фазой фотонов. Для этого необходимо использовать свойства атомных и молекулярных систем, где возможен контроль над состоянием электронов посредством внешнего электромагнитного поля. Как, зачем и почему — узнаем из доклада исследователей. Поехали.
Основа исследования
Важным фактором в когерентном электрооптическом контроле фотонной двухуровневой системы является продолжительность существования фотона, которая во всех энергетических состояниях должна быть значительно больше, чем требуется для простого перехода системы из одного состояния в другое. Дабы достичь этого нужно использовать электрооптические методы контроля. Однако есть ряд трудностей. Большие оптические системы с оптическими усилителями могут имитировать классическую двухуровневую систему, однако квантовая когерентность фотонов в процессе работы просто уничтожается. Если же использовать традиционные интегрированные фотонные платформы, то они не могут обеспечить одновременно длительное существование фотона и быструю модуляцию. Посему тоже не подходят для целей ученых. А вот резонаторы на базе диоксида кремния (SiO2) или нитрида кремния (Si3N4) можно контролировать исключительно электрически посредством термического эффекта. Быструю электрооптическую модуляцию обеспечивают электрически активные фотонные платформы на базе кремния, графена и различных полимеров. Это явное преимущество, однако срок жизни фотонов в таких системах крайне невелик, если сравнивать с электрически пассивными платформами.
И, как это часто бывает, когда нет существующего рабочего и эффективного чего-либо, ученые создают свой вариант. В данном случае это фотонная двухуровневая система, которую можно контролировать посредством гигагерцовых микроволновых сигналов.
Данная система представляет из себя устройство с двумя микро-кольцами из ниобата лития (снимок с), диаметры которых составляет 80 мкм. Важно отметить, что расстояние между кольцами крайне мало, что видно на снимке растрового электронного микроскопа (а).
![](https://habrastorage.org/webt/xg/1i/tl/xg1itljp6yt8bji5vwr8oh0qnfw.jpeg)
Снимки устройства
На изображении выше b показано поперечное сечение профиля оптической моды в кольцевом резонаторе. А вот d это снимок массива вышеописанных устройств на одном чипе.
![](https://habrastorage.org/webt/tg/8v/au/tg8vauhipu6ry61jzkvjmbsz1j4.jpeg)
Схема экспериментальной установки
Испытываемое устройство оптически накачивается настраиваемым телекоммуникационным лазером (длина волны 1630 нм). Свет, проходя через электрооптический модулятор (EO Mod) и регуляторы поляризации (PLC), попадает на чип по линзованному волокну. Исходящий оптический сигнал по волокну отправляется в 12 ГГц-вый фотодетектор. После этого преобразованный электрический сигнал направляется в осциллограф. Микроволновые контролирующие сигналы генерируются AWG (генератор сигналов произвольной формы), а потом усиливаются и направляются на устройство. Для контроля постоянного тока было использовано Т-образное смещение (Bias T).
Благодаря низким оптическим потерям и ко-интеграции микроволновых электродов ученым удалось достичь весьма внушительной полосы пропускания — > 30 ГГц, эффективности модуляции — 0.5 ГГц/В и продолжительности жизни фотона в 2 нс.
![](https://habrastorage.org/webt/jd/rl/uf/jdrluf0x9syam8xitiysna8ixbk.jpeg)
Изображение №1
Фотонная двухуровневая система реализована за счет пары идентичных и связанных друг с другом оптических микрокольцевых резонаторов (на изображении 1а это ?1=?2). Такая связь и образует своеобразную фотонную молекулу с двумя энергетическими уровнями: симметричная мода (S) и асимметричная мода (AS). А микроволновое поле взаимодействует с системой посредством сильного эффекта Поккельса*.
Эффект Поккельса* — появление двойного преломления света при воздействии постоянного или переменного электрического поля.Подтверждением двух энергетических уровней является измерение оптической передачи (график 1с).
Сами оптические моды разделены следующим образом: 2? = 2? х 7 ГГц. А спектральная линия резонатора для каждой — ? = 2? х 96 МГц, что соответствует уровню добротности Q = 1.9 х 106. Эти показатели еще раз подтверждают стабильность полученной фотонной двухуровневой системы.
Основным инструментом контроля системы является когерентное микроволновое поле с непрерывной волной. Ученые указывают на то, что такой «формат» контроля схож с атомными двухуровневыми системами. Но есть важное отличие: в фотонной системе каждый из двух уровней может заполнять более, чем 1 фотон.
Когда микроволновая частота совпадает с энергетической разницей двух уровней, возникает стабильная связь между двумя модами (S и AS), которые изначально были раздельны. Это приводит к возникновению расщепления уровней энергии, что иначе называется эффектом Аутлера-Таунса (изображение 2а).
![](https://habrastorage.org/webt/6a/1n/iz/6a1nizy5ff9ldevjahcufj9qqmo.jpeg)
Изображение №2
В испытываемой системе есть возможность контролировать амплитуду микроволновых сигналов, что позволяет устанавливать частоту расщепления на уровне в несколько гигагерц (2b). Если же микроволновая частота сильно расстроена от частоты перехода, возникает дисперсионный эффект, сравнимый с переменным эффектом Штарка в атомных системах (2с). Этот эффект позволяет контролировать степень силы связи между энергетическими уровнями испытываемой фотонной молекулы.
![](https://habrastorage.org/webt/cr/sd/ki/crsdki8duvkrse2lcbcqama5wfy.jpeg)
Изображение №3
На верхних двух изображениях показана когерентная спектральная динамика фотонной молекулы, точнее измерения осцилляции Раби при разном микроволновом воздействии на систему: 3а — данные, полученные опытным путем, а 3b — теоретические данные. Анализ данных показывает, что существует контроль над довольно широким диапазоном частот Раби.
На графике 3с показана осцилляция Раби при микроволновом воздействии 1.1 В с частотой 1.1 ГГц, что соответствует вещественной оси сферы Блоха. В свою очередь график 3d показывает осилиляторные сигналы на фотодетекторе, которые являются следствием интерференции Рэмси.
А теперь переходим к заключительным, но далеко не последним по важности, измерениям.
В эксперименте ученые решили применить унитарное преобразование частот для выполнения очень важной задачи любого процесса обработки оптических сигналов — хранение и извлечение фотонов по требованию.
Ученые отмечают, что при использовании статичного резонатора может замедлить процесс распространения фотонов, но такое замедление ограничено частотами резонатора, следовательно их нельзя контролировать.
А вот использование динамически модулированного резонатора не имеет таких недостатков. Для того чтобы получить контроль над записью фотонов на резонатор и считыванием фотонов с внешнего волновода необходимо изменять силу оптической связи до истечения срока жизни фотона в резонаторе.
![](https://habrastorage.org/webt/h3/uc/aj/h3ucajha3zte5ea8h3avfmben7y.jpeg)
Изображение №4
Для достижения этого было применено смещение постоянного тока в 15 В, что позволило переформатировать фотонную молекулу в пару «темная» и «светлая» моды. Светлая мода располагается в первом кольце (4а). Поскольку у нее все же есть доступ к входному оптическому волноводу, она именуется оптически светлой. Темная мода расположена во втором кольце и не связана с волноводом, посему и называется оптически темной. Однако доступ к темной моде можно получить, применив микроволновое излучение с частотой, совпадающей с разницей между двумя оптическими модами. Этот процесс приводит к формированию стойкой связи между этими модами (графики на 4b).
Применение микроволнового сигнала на светлой моде позволяет преобразовать ее в темную (4с). При отключении микроволнового сигнала фотоны остаются в темной моде, таким образом они отделяются от волновода. Проанализировав интенсивность полученных оптических импульсов в темной моде, получилось установить срок ее существования — 2 наносекунды, а это в 2 раза дольше. чем у светлой моды (4d).
Для детального ознакомления с исследованием рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
По словам ученых, данное исследование может стать полезным инструментом в дальнейшем изучении свойств фотонов и методов их применения в будущих технологиях передачи и хранения данных.
Подобные манипуляции с фотонами все еще сложны в реализации, хоть и обладают огромным потенциалом. Данную методику контролируемой фотонной двухуровневой (а в будущем и многоуровневой, по заявлениям исследователей) системы можно применить в совершенно новых фотонных вычислениях, квантовых компьютерах и топологической фотонике.
Несмотря на все сложности, ученые продолжают мечтать о высоких технологиях и делают все, чтобы эти мечты стали реальностью. Ведь ничто не совершенно в этом мире, а значит есть много-чего, что можно и нужно совершенствовать.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
matabili1973
Весьма интересно. В будущем на этой основе можно будет реализовать оптический аналог FPGA или процессора.