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哈佛大学在片上可编程电光系统中实现光的动态控制

导读: 美国哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种新的集成光子学平台,可以在集成电路中存储光,并对其频率(或颜色)进行电控制。

哈佛大学在片上可编程电光系统中实现光的动态控制

上图展示了一种新的集成光子学平台,可以在集成电路中存储光,并对其频率(或颜色)进行电控制

据麦姆斯咨询报道,美国哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种新的集成光子学平台,可以在集成电路中存储光,并对其频率(或颜色)进行电控制。

该平台从原子系统中汲取了灵感,或能在光量子信息处理、光信号处理和微波光子学领域获得广泛应用。

“这是微波首次用于在一颗芯片上以可编程的方式改变光的频率,”SEAS应用物理学前博士后研究员Mian Zhang说,他是该研究论文的第一作者,现在已成为哈佛大学创业公司HyperLight Corporation的首席执行官,“许多量子光子学和经典光学应用需要光频转换,这个难度一直很大。我们的研究表明,我们不仅可以以可控的方式改变光的频率,而且使用这种新技术,我们还可以根据需要存储并提取光,这在之前是无法实现的。”

微波信号在无线通信中无处不在,但之前,研究人员认为它们与光子的相互作用太弱。SEAS电气工程教授Marko Loncar领导的研究团队开发出了一种使用铌酸锂(LiNbO3,一种具有强大电光特性的材料)制造高性能光学微结构的技术。

Loncar和他的团队此前已证明,他们可以通过铌酸锂纳米波导极低损耗地传播光,并能利用片上铌酸锂调制器控制光强度。在最新的研究中,他们结合这些技术做了进一步开发,以构建一种类似分子的系统,并使用这种新平台精确控制芯片上光的频率和相位。

“铌酸锂具有独特的低光学损耗和强大的电光非线性性能,使我们能够在可编程电光系统中动态控制光,”该论文的共同第一作者,现任香港城市大学助理教授Cheng Wang说,“这一成果或将推动光学和微波信号处理可编程滤波器的发展,并将在射电天文学、雷达技术等领域得到应用。”

接下来,研究人员的目标是使用相同的架构开发更低损耗的光波导和微波电路,以实现更高的效率,并最终实现微波和光子之间的量子链接。

“微波和光学光子的能量相差五个数量级,但我们的系统能够以几乎100%的效率,一次一个光子地桥接这一差距,”该论文的高级作者Loncar说,“这一技术或能推动量子云的实现,量子云是通过安全光通信通道互联量子计算机的一种分布式网络。”

这项研究还由哈佛大学纳米光学实验室Yaowen Hu、Amirhassan Shams-Ansari、Tianhao Ren;和斯坦福大学电气工程系教授Shanhui Fan共同完成。该研究得到了美国国家科学基金会、海军研究办公室、陆军分布式量子信息研究实验中心和集成量子材料中心(CIQM)的部分支持。研究中的器件制造在哈佛大学纳米系统中心完成。

这项研究已发表于Nature Photonics期刊。

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