伊利诺伊大学香槟分校
伊利诺伊大学香槟分校铌酸锂制造的780纳米和1550纳米波长片内光隔离器
信用:奥格坎·奥塞尔
光提供了一种不可替代的方式与我们的宇宙互动
它可以穿越银河系的距离，并与我们的大气层碰撞，产生一簇粒子，讲述过去的天文事件
在地球上，控制光可以让我们把数据从地球的一边传送到另一边
鉴于其广泛的用途，光在实现21世纪量子信息应用中发挥着关键作用也就不足为奇了
例如，科学家利用激光精确控制原子，将它们变成时间、加速度甚至重力的超灵敏测量
目前，这种早期的量子技术受到尺寸的限制——最先进的系统不适合放在餐桌上，更不用说芯片了
在实际应用中，科学家和工程师需要将量子设备小型化，这需要重新考虑利用光的某些组件
现在，IQUIST成员Gaurav Bahl和他的研究小组设计了一个简单、紧凑的光子电路，利用声波来控制光
这项发表在10月21日出版的《自然光子学》杂志上的新研究展示了一种隔离或控制光的方向性的强大方法
该团队的测量表明，他们的隔离方法目前优于所有以前的片上替代方案，并且针对与基于原子的传感器的兼容性进行了优化
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程(MechSe)教授巴赫尔说:“原子是自然界任何地方的完美参照物，为许多量子应用提供了基础。”
“我们用来控制原子的激光需要能够阻挡不良反射的隔离器
但到目前为止，在大规模实验中工作良好的隔离器很难小型化
" 即使在最好的情况下，光也很难控制——当遇到表面时，它会反射、吸收和折射
一面镜子把光送回它来的地方，一块玻璃碎片让光通过时弯曲，深色的岩石吸收光并将其转化为热量
本质上，光会很乐意散射掉它所经过的任何地方
这种笨拙的行为就是为什么即使是一点点光线也有利于在黑暗中观察
在大型量子设备中控制光通常是一项艰巨的任务，涉及大量的镜子、透镜、光纤等等
小型化要求对许多这些组件采用不同的方法
在过去的几年里，科学家和工程师在设计微芯片上的各种光控制元件方面取得了重大进展
他们可以制造波导，这是传输光的通道，甚至可以使用某些材料改变光的颜色
但是，迫使由称为光子的微小光点组成的光向一个方向移动，同时抑制不良的向后反射是很棘手的
该研究的第一作者本杰明·索恩(Benjamin Sohn)说:“隔离器是一种装置，它允许光线不间断地单向通过，并在相反的方向完全阻挡光线。”他曾是Mechse的研究生和博士后研究员，现就职于博尔德的NIST
“仅仅使用任何普通的介电材料或玻璃都无法实现这种单向性，因此我们需要多一点创新
我们还希望隔离器在调谐到原子传感器的光波长下工作，即使在大范围内，这也可能是困难的
" 在典型的实验中，实现单向性的最佳工具是磁铁
例如，几乎每台激光器都有一个磁光隔离器，它可以让光离开激光器，但防止它向后传播，这将干扰激光器的功能
虽然甚至激光器也可以小型化，但收缩传统隔离器有两个问题
首先，在小型设备中，磁场会对附近的原子产生负面影响
其次，即使有办法解决这个问题，隔离器内部的材料在芯片的较小长度范围内也不能很好地工作
Bahl的团队展示了一种新型非磁性隔离器，该隔离器设计简单，使用常见的光学材料，易于适应不同波长的光
“我们想设计一种能够自然避免损耗的设备，而实现这一目标的最佳方式是让光在没有任何东西的情况下传播
巴赫尔说:“波导是最简单的‘无’的一部分，它仍然可以沿着受控路径引导光子，它是光子电路中非常基本的组件。”
在一个完整的基于原子的系统中，波导将引导激光通过一系列元件到达一个包含原子的小室
考虑到这一点，该团队已经优化了他们的芯片，使其适用于780纳米光，这是配置普通铷基传感器所需的波长
这只是设计的前半部分，因为为了隔离，光必须同时在相反的方向被阻挡
此前，该团队表明，他们可以将声波发射到光子电路中，以打破对称的光流
在新的研究中，该团队将这一想法转化为功能性芯片元件的演示
完整的光子隔离器包含一个波导和一个相邻的环形谐振器，看起来像一个长方形的跑道
正常情况下，入射光会直接从波导进入谐振器，而不管其方向如何，从而阻挡所有的光流动
但是当研究小组将声波应用到环上时，谐振器只捕获通过波导管向后移动的光
在向前的方向上，光不受阻碍地通过波导，就好像谐振器根本不存在一样
该团队的测量结果显示，几乎每个光子都是向前穿过波导，而向后穿过的几率只有万分之一
这意味着该设计将损耗或不良光吸收降至接近零，这是以前片内隔离器长期存在的问题
数据显示，新器件在片内隔离方面表现出破纪录的性能，并且与更大的基于磁体的器件一样工作
此外，该方法是灵活的，可以在不改变起始材料的情况下用于多个波长
“制造的简单性是关键——通过我们的方法，您可以在同一芯片上同时印刷出适用于任何所需波长的光子隔离器
这在今天的其他方法中是不可能的，”合著者奥格坎·奥尔塞尔说，他是麻省理工学院电气工程的研究生
这可能会使新设计对其他应用有用，比如量子计算，在量子计算中，杂散的、不受控制的磁场以及不需要的光会侵蚀整个设备的性能
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