Laut Lan Yang, Edwin H. & Florence G. Skinner Professor für Elektrotechnik und Systemtechnik und Hauptautor der in Science Advances veröffentlichten Studie, bewirkt ihre Methode eine „Spiegelung des Systems“.
Mit Hilfe von zeit-paritätssymmetrischen (PT) photonischen Wellenleitern können sie Lichtwellen so manipulieren, dass die Zeit "umkehrt", sodass sich das System wieder so verhält wie zuvor, fügte Yang hinzu.
„Die PT-Symmetrie ermöglicht neue Wege der Lichtsteuerung, die insbesondere für Anwendungen in der optischen Kommunikation, bei Lasern und Sensoren nützlich sind“, sagt er.
Die Postdoktoranden Wenbo Mao und Fu Li, die Hauptautoren der Studie, beschreiben ihre Systeme als „rekonfigurierbare Übertragungen“.
Mao verwendet einen optischen Polarisator als Analogie, um dieses System zu erklären.
„Man kann sich einen Polarisator wie eine leicht geöffnete Tür vorstellen: Er lässt nur Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung, die mit dem Spalt ausgerichtet ist, durch, während Licht, das senkrecht zum Spalt polarisiert ist, blockiert wird“, erklärt Mao.
„Stellen Sie sich nun eine Reihe von Polarisatoren vor. Der erste ist auf die ursprüngliche Polarisation des Lichts ausgerichtet, während sich jeder nachfolgende Polarisator allmählich dreht, bis der letzte vollständig senkrecht zur ursprünglichen Polarisation steht. Trifft das Licht zuerst auf den korrekt ausgerichteten Polarisator, ermöglicht ihm die allmähliche Drehung, das gesamte System zu durchdringen. Trifft das Licht jedoch zuerst auf den letzten Polarisator, der senkrecht zu seiner Polarisation steht, wird es sofort blockiert.“.
Dieser Effekt ermöglicht es dem Licht, sich im System nur in eine Richtung auszubreiten. Diese „asymmetrische Übertragung“ ist eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit, da sie Telekommunikationssysteme vereinfachen kann.
Telekommunikationssysteme enthalten Komponenten, die sicherstellen, dass Daten nur in eine Richtung fließen, beispielsweise von einem Server zu einem Client. Wenn jemand beispielsweise einen Film streamt, möchte er, dass der Datenstrom stetig zu seinem Gerät fließt; er möchte nicht, dass die Daten von seinem Heimnetzwerk zurück zum Server fließen. Asymmetrische Übertragung ist die Lösung für dieses Problem.
In der optischen Kommunikation werden Isolatoren üblicherweise zur Lichtlenkung mittels Magnetfeldern eingesetzt, um sicherzustellen, dass sich das Licht nur in eine Richtung ausbreitet und Interferenzen vermieden werden. Das in dieser Studie vorgestellte System nutzt präzise entwickelte Wellenleiter zur Steuerung der Lichtübertragung. Dadurch entfällt die Notwendigkeit komplexer und sperriger Isolierkomponenten, und es bietet eine einfachere und effizientere Lösung für die gerichtete Lichtausbreitung.
In ihrer Arbeit entwarfen die Forscher sorgfältig photonische Chips, um ein periodisches System aufzubauen, das sie als Floquets nicht-hermitesche Physik bezeichnen. Dieses System ahmt den von Mao beschriebenen Effekt gedrehter Polarisatoren nach. Es ermöglicht die Ausbreitung von Licht nur in eine Richtung, wenn es nicht-hermitesche Phasenübergänge durchläuft.
Li beschrieb das Licht als „eine Tänzerin, die sich in einem Raum voller sorgfältig platzierter Fallen dreht“.
Während sich der Tänzer vorwärts (von links nach rechts) bewegt, wird jeder Schritt präzise geführt, um Fallen zu vermeiden. Versucht der Tänzer jedoch, sich rückwärts zu bewegen, gerät jeder Schritt direkt in eine Falle, was eine flüssige Bewegung in diese Richtung verhindert. Im Experiment fungiert Licht als Tänzer, während winzige Metallpartikel entlang der Wellenleiter als Fallen dienen und sicherstellen, dass sich das Licht effizient nur in eine Richtung ausbreitet.
„Unsere Struktur ist sehr einfach, bietet aber eine hervorragende Leistung, die dazu genutzt werden kann, Interferenzen zwischen verschiedenen optischen Komponenten zu reduzieren“, sagte Li und fügte hinzu, dass dieser Mechanismus in vielen Telekommunikationsgeräten Anwendung finden kann.
„Wir haben einfach das Design des Geräts selbst angepasst“, erklärte Yang. „Dadurch können wir aktiv eine asymmetrische Lichtübertragung erreichen, die die Information in die gewünschte Richtung transportiert.“
Mao W, Li F, Zhang Q, Xu W, Masud Awan K, Yang L. Rekonfigurierbare On-Chip-Übertragung in Floquet-zeitsymmetrischer und Paritätsphotonik mit räumlichem Chirp. Sci. Adv. 11(2025).
DOI:10.1126/sciadv.adu4653
Dieses Projekt wird teilweise von der National Science Foundation (EFMA1641109) finanziert.
