Peneliti Membuat Resonator Optik Supermode Pertama
Pemandu gelombang multimode yang terletak sebelum dan sesudah resonator memandu cahaya telekomunikasi ke dalam dan di luar resonator. Konverter mode direalisasikan dengan menggulung pandu gelombang silikon secara lateral menjadi bentuk kisi persegi panjang dengan periodisitas Λ dan lebar w g.
Bilah skala = 5 μm dan 2 μm (inset). Periodisitas Λ dipilih sedemikian rupa sehingga kondisi pencocokan fase terpenuhi untuk kopling kontra-arah. Seluruh punggungan sirkuit fotonik terkubur ke dalam lapisan silika. b Skema perangkat menunjukkan tiga bagian yang berbeda: 1. dua pandu gelombang input (kiri) yang memungkinkan untuk menyelidiki resonator dengan TE 0 (atas) atau TE 2 (bawah), 2. wilayah resonator yang terdiri dari pandu gelombang multimode yang dilingkupi oleh dua konverter mode, dan 3. dua pandu gelombang penganalisa yang mentransmisikan keluaran resonator ke dua lokasi yang terpisah secara spasial, bergantung pada profil transversalnya TE 0 (atas) atau TE 2 (bawah). Probe 1 menggairahkan TE 0mode di pandu gelombang atas. Probe 2 menggairahkan TE 0 di pandu gelombang bawah.
Mode ini diubah menjadi mode TE 2 di pandu gelombang multimode atas sebelum resonator melalui penggandeng mode maju, yang beroperasi berdasarkan prinsip bahwa indeks efektif mode TE 0 dalam pandu gelombang nano sesuai dengan indeks efektif dari mode TE 2 dalam pandu gelombang multimode. Demikian pula penganalisa 1 dan penganalisa 2 masing-masing mengukur mode TE 0 dan TE 2 .
Secara spasial, kopling terjadi di lokasi di mana pandu gelombang nano berada di sekitar pandu gelombang multimode. CSimulasi gelombang penuh dari bidang telekomunikasi di dalam resonator mode kaskade menunjukkan bahwa solusi yang konsisten sendiri dari kondisi bolak-balik terjadi pada panjang gelombang input yang sama untuk dua mode transversal berbeda TE 0 (atas) dan TE 2 (bawah).
d Zoom ke wilayah putih yang ditandai di dalam resonator mengungkapkan sifat hibrida dari mode kaskade yang muncul sebagai superposisi mode TE 0 atau TE 2 yang merambat balik dengan panjang pemukulan karakteristik yang tidak bergantung pada bidang probe input. Kredit: Komunikasi Alam (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-35956-9
____________________paragraf diatas adalah penjelasan gambar___________________
Apa yang diperlukan bagi para ilmuwan untuk melampaui batas pengetahuan saat ini? Para peneliti dalam kelompok Federico Capasso di Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) telah mengembangkan formula yang efektif.
"Mimpi besar, pertanyakan semua yang kita ketahui, pertanyakan buku teks," kata Vincent Ginis, profesor tamu di SEAS dan penulis pertama makalah baru di Nature Communications yang melaporkan terobosan dalam teknologi resonator optik.
"Begitulah cara Federico meminta tim lab kami untuk bekerja sama. Dia menantang kita untuk memikirkan kembali semua aturan klasik untuk melihat apakah kita dapat membuat perangkat melakukan sesuatu dengan lebih baik dan dengan cara baru."
Pendekatan itu mengarah pada hasil terbaru tim, sebuah resonator optik yang mampu memanipulasi cahaya dengan cara yang belum pernah diamati sebelumnya. Terobosan ini dapat memengaruhi pemahaman resonator dan membuka pintu bagi kemampuan baru.
"Ini adalah kemajuan yang mengubah secara mendasar desain resonator dengan menggunakan reflektor yang mengubah cahaya dari satu pola ke pola lainnya saat memantul bolak-balik," kata Capasso, Profesor Fisika Terapan Robert L. Wallace dan Vinton Hayes Senior Research Fellow di Teknik Elektro di SEAS.
Resonator optik memainkan peran kunci dalam banyak aspek kehidupan modern.
"Resonator adalah komponen utama dalam sebagian besar aplikasi optik, laser, mikroskop, penginderaan—resonator muncul di semua teknologi ini sebagai blok bangunan penting," kata Ginis, yang juga asisten profesor matematika dan fisika di Vrije Universiteit Brussel.
"Mereka terdiri dari dua reflektor yang memantulkan cahaya bolak-balik, memusatkan cahaya pada laser misalnya, atau menyaring frekuensi cahaya seperti pada serat optik dan telekomunikasi."
Resonator optik adalah kunci untuk transmisi telekomunikasi, menyandikan gambar dan audio melalui frekuensi cahaya.
"Setiap pesan, agar terpisah dari yang lain, dikodekan pada frekuensi spesifiknya sendiri," kata Ginis. "Resonator memungkinkan kita untuk 'melepaskan' frekuensi yang tepat dan unik untuk memungkinkan banyak pesan berbeda ditransmisikan secara bersamaan."
Sampai saat ini, resonator dan dua cermin reflektif di dalamnya mengontrol intensitas dan frekuensi cahaya, tetapi bukan mode cahaya, yang menentukan bentuk dan cara foton mengalir melalui ruang dan waktu. Kita sering menganggap cahaya bergerak dalam berkas seperti garis lurus, tetapi berkas cahaya juga mampu bergerak dalam mode lain, seperti spiral.
Resonator optik baru yang dikembangkan oleh tim Capasso adalah perangkat pertama yang memberi para ilmuwan kontrol yang tepat atas mode cahaya, dan bahkan yang lebih penting, memungkinkan cahaya multi-mode digabungkan ada di dalam resonator.
Tim mencapai ini dengan mengetsa jenis pola baru pada permukaan reflektor di setiap ujung perangkat resonator.
“Kami menyadari bahwa kami dapat menguji konsep resonator baru kami dalam platform fotonik terintegrasi, dan memilih silikon-on-insulator, yang digunakan oleh banyak ilmuwan dan perusahaan untuk aplikasi seperti penginderaan atau komunikasi,” kata Cristina Benea-Chelmus, seorang peneliti asosiasi di grup Capasso dan asisten profesor teknik mikro di EPFL Institute of Electro and Microengineering, yang mempelopori bagian eksperimental dari pekerjaan tersebut.
Ukiran, berukuran sekitar 300-600 nanometer, memberi tim kendali atas bentuk berkas cahaya di dalam resonator. Menggunakan reflektor dengan pola berbeda di kedua ujung resonator membuka kemampuannya untuk mengubah bentuk cahaya saat bergerak.
"Kita dapat membuat mode cahaya ini bermain satu sama lain, mengubah satu mode ke mode lainnya, dan kemudian kembali ke mode pertama, membuat loop dari mode cahaya berbeda yang bergerak melalui ruang yang sama," kata Ginis. "Ketika kami melihat ini, kami menyadari bahwa kami berada di 'terra incognita' di sini."
Menggabungkan lebih dari satu mode cahaya menciptakan apa yang oleh para peneliti disebut "supermode".
"Dalam resonator tradisional, saat cahaya bergerak bolak-balik, modenya selalu sama—sifat cahaya selalu simetris," katanya. "Di kami, saat cahaya bergerak dari kiri ke kanan, atau kanan ke kiri, modenya berbeda. Kami telah menemukan cara memecahkan simetri di dalam resonator."
"Memiliki kontrol multimode cahaya akan berdampak besar pada bandwidth informasi yang dapat ditransmisikan menggunakan cahaya," katanya. “Ini membuka banyak saluran transmisi yang belum bisa kami akses secara bersamaan hingga sekarang.”
Resonator optik tim Capasso menyediakan alat baru untuk melakukan eksperimen fisika dasar, termasuk optomekanik, menggunakan cahaya untuk membuat benda bergerak.
"Dengan menempatkan objek di dalam resonator, Anda dapat memanipulasi materi seperti atom kecil, molekul, dan untaian DNA," kata Ginis. Perangkat baru, dengan kemampuan supermodenya, dapat membuka tingkat kebebasan baru bagi para peneliti untuk memanipulasi bahan sangat kecil dengan berbagai bentuk berkas cahaya.
"Dengan mempertanyakan dasar-dasar teori resonator buku teks, kami telah menemukan sifat cahaya yang benar-benar baru dan berlawanan dengan intuisi yang tidak ditemukan dalam resonator tradisional," kata Capasso. Properti ini, termasuk "resonansi mode-independen dan propagasi yang bergantung secara arah," membuka peluang tak terduga untuk fotonik, akustik, dan lainnya, tambahnya.
