La rotura espontánea de la simetría PT mejora la eficiencia de los láseres de microanillo

Dibujo20141106 duble microring laser - evenly pumped - pt-symmetric - science mag

Todo láser requiere una cavidad óptica resonante con un medio activo en su interior; la luz queda confinada por la cavidad láser para pasar múltiples veces por el medio activo que produce la amplificación óptica. Poder controlar los modos ópticos que oscilan en la cavidad láser, para que sean los que interesan y no otros, es muy difícil, sobre todo en láseres integrados en chip ópticos que usan cavidades en forma de anillo (láseres de microanillo). Se publica en Science el uso de la rotura espontánea de la simetría PT para controlar los modos en las cavidades resonantes tipo microanillo de un láser.

El nuevo resultado muestra de forma experimental un mecanismo que fue propuesto de forma teórica en 2012 y promete el desarrollo de una nueva generación de láseres integrados en chip para aplicaciones tan interesantes como la computación completamente óptica. El nuevo artículo técnico es Hossein Hodaei et al., “PT-symmetric microring lasers: Self-adapting broadband mode-selective resonators,” Science, AOP 06 Nov 2014; arXiv:1405.2103 [physics.optics]. La propuesta teórica se publicó en M.-A. Miri et al., “Large area single-mode parity-time-symmetric laser amplifiers,” Optics Letters 37: 764-766, 2012.

PS 21 Nov 2014: Ya se ha publicado Hossein Hodaei, Mohammad-Ali Miri, Matthias Heinrich*, Demetrios N. Christodoulides, Mercedeh Khajavikhan, “Parity-time–symmetric microring lasers,” Science 346: 975-978, 21 Nov 2014; y también Liang Feng, Zi Jing Wong, Ren-Min Ma, Yuan Wang, Xiang Zhang, “Single-mode laser by parity-time symmetry breaking,” Science 346: 972-975, 21 Nov 2014.

En los cursos introductorios de mecánica cuántica se suele hablar de sistemas físicos descritos por un hamiltoniano hermítico, porque todo operador hermítico en un espacio de Hilbert tiene autovalores reales. Sin embargo, también tienen autovalores reales los hamiltonianos que no son hermíticos cuando presentan de forma simultánea la simetría de inversión espacial (P) y la de inversión temporal (T), es decir, la simetría PT. Recuerda que la simetría de paridad es la reflexión especular, el cambio x → –x, y que la simetría de inversión temporal es el cambio de la flecha del tiempo, el cambio t → –t; un hamiltoniano presenta la simetría PT si como operador conmuta con el operador PT. La idea de que existen sistemas físicos cuánticos descritos por hamiltonianos no hermíticos con simetría PT nació en el trabajo de Carl M. Bender, Stefan Boettcher, “Real Spectra in Non-Hermitian Hamiltonians Having PT Symmetry,” Phys. Rev. Lett. 80: 5243-5246, 1998; arXiv:physics/9712001 [math-ph].

Dibujo20141106 Transverse intensity distributions between the rings - Below - above - PT symmetry breaking - science mag

Por analogías físicas, todo lo descrito para sistemas cuánticos tiene análogos físicos en sistemas ópticos. De hecho, los modos ópticos que resuenan en una cavidad láser pueden presentar simetría PT, o no presentarla, luego el control de la simetría PT permite seleccionar (o controlar) los modos que se amplifican en la cavidad. La simetría PT está sujeta a un umbral, que cuando se supera conlleva una rotura espontánea de dicha simetría; este proceso hace que algunos autovalores del espectro del hamiltoniano pasen de ser reales a complejos. Los modos ópticos con espectro complejo describen modos que ganan energía o que pierden energía. En la práctica los modos que sufren pérdidas acaban desapareciendo y los que reciben ganancias son amplificados (por supuesto, los que mantienen sus autovalores reales quedan inalterados).

Dibujo20141106 te and tm polarization transverse mode profiles - science mag

Un control selectivo de la rotura espontánea de la simetría PT puede ser explotada en el diseño de láseres de microanillo. Se acoplan dos microanillos (acercándolos mucho) de tal forma que si los modos de uno presentan pérdidas, los del otro presentarán ganancias, y viceversa (este acoplo se describe por ecuaciones diferenciales ordinarias; omito los detalles que aparecen en el artículo técnico). La simetría PT requiere que los coeficientes que describen el acoplo en ganancia γ(ω) y en pérdidas κ(ω) para un modo dado cumplan que γ(ω) > κ(ω); en caso contrario, γ(ω) < κ(ω), la simetría PT se rompe para dicho modo. Estos modos que ganan energía son amplificados, lo que potencia el “efecto láser” de la cavidad en microanillo.

Dibujo20141106 Emission spectrum of a single resonator - science mag

Los microanillos se han fabricado mediante litografía. Sin entrar en detalles, el resultado son microanillos de InGaAs sobre un substrato de SiO2. Los coeficientes de ganancia y pérdidas dependen de la luz láser que se usa como bombeo (en este caso a 1064 nm). El medio activo en la cavidad láser amplifica en el rango de 1350 nm a 1600 nm, y presentan pérdidas crecientes con la longitud de onda y el inverso del radio de curvatura del microanillo.

Dibujo20141106 Emission spectrum of a evenly pumped double ring resonator - science mag

El acoplo de dos microanillos con simetría PT logra reducir el número de modos que se amplifican (compara picos en el espectro azul de más arriba con los del espectro verde justo aquí arriba). Sin embargo, siguen apareciendo varios picos que reducen el efecto láser de la cavidad resonante.

Dibujo20141106 Emission spectrum of pt-symmetric double ring resonator - science mag

Cuando se ajusta el acoplo de los microanillos (cambiando la frecuencia de bombeo) para que se rompa de forma espontánea la simetría PT se logra reducir prácticamente todos los picos, salvo uno (ver el espectro en amarillo). La supresión de los modos no deseados es muy eficiente y alcanza un contraste de casi 30 dB. Como es obvio este mecanismo mejora mucho la eficiencia del láser de microanillo a la frecuencia de dicho pico.

En resumen, el control selectivo de la rotura espontánea de la simetría PT permite reforzar la amplificación de un único modo en la cavidad láser tipo microanillo que permite desarrollar láseres integrados en chip de alta eficiencia. Hace una década la rotura espontánea de la simetría PT era una simple curiosidad, sin mayor interés práctico. Ahora se demuestra que permite desarrollar una nueva familia de láseres compactos que se pueden integrar en chip. La ciencia de lo curioso muchas veces nos reserva sorpresas agradables.


3 Comentarios

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Horacio G.Horacio G.

Francis. ¿ Esas simulaciones las llevan acabo con algún software “enlatado” en especial ó usan algún lenguaje de prog para implementarlas ?
Saludos.

Francisco R. Villatoro

Horacio, el artículo técnico no lo aclara (habla de un método de elementos finitos FEM en tres dimensiones). En artículos previos de los autores usan COMSOL, pero en este caso no dicen nada al respecto.

En cualquier estas simulaciones de modos en 3D en guías con simetría circular son fáciles de implementar en cualquier lenguaje de computación.

@ribap@ribap

Muy interesante el artículo! La obtención de láseres de modo simple es siempre un dolor de cabeza y a veces no resulta sencillo así que cualquier avance en este campo bienvenido sea! Me pregunto como de robusta es la técnica, porque para que los microanillos interaccionen de una forma suficientemente intensa tienen que estar muy cerca, y no me parece que esto sea sencillo de conseguir.

(Por cierto la parte láser esta bien! ;-))

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