[論文レビュー] Demonstrating a non-reciprocal optical resonator for unlimited time-bandwidth performance

Ivan Cardea, Davide Grassani+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 5被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、ローレンツ反復性を破る時間変動型ファイバーオプティカルキャビティを用いた非対称光共振器を示しており、時間帯域幅積が30に達し、従来の1の限界をはるかに上回る。キャビティを開放して広帯域パルスを注入し、その後閉じてパルスを必要に応じて保持・放出することで、従来にない広帯域の長時間保存が実現され、帯域幅と保存期間の根本的トレードオフが解消される。

ABSTRACT

Typical, reciprocal resonant systems are always limited to a time-bandwidth product of 1, causing a fundamental trade-off between long storage times and large acceptance bandwidths. A recent theory suggests that this limit may be arbitrarily overcome by breaking Lorentz reciprocity. We report an experimental realization of this concept using a time-variant fiber-optic cavity, where we can completely open the cavity, injecting a pulse of large bandwidth, and then close the cavity, storing the pulse and releasing it on-demand at a later time. We attain a time-bandwidth product of 30 and show that, although in practice it is only limited by experimental constraints, there is virtually no upper theoretical limit. Our results open the path for designing resonant systems that are broadband and ultrafast, while simultaneously allowing long interaction times, thereby unleashing fundamentally new functionalities in wave physics and light-matter interactions.

研究の動機と目的

• 従来の対称的共振系における時間帯域幅積の根本的限界1を克服すること。
• ローレンツ反復性を破ることで、光共振器における時間帯域幅積を任意に大きくできることを示すこと。
• 時間変動光キャビティを用いた実用的で実験的に実現可能な広帯域パルスの保存および必要時放出のシステムを実現すること。
• 非対称条件下において、時間帯域幅積の理論的上限が実際には無限大であることが検証されること。

提案手法

• 高速光スイッチを用いてキャビティを動的に開閉することで、時間変動型ファイバーオプティカルキャビティを実装する。
• 時間依存の屈折率を用いてローレンツ反復性を破り、非対称な光伝送および保存を可能にする。
• キャビティを開放して広帯域光パルスを注入し、その後速やかに閉じてパルスを共振器内に閉じ込める。
• 所定の時刻にキャビティを再び開放することで、必要時にパルスを放出し、正確な時間的制御を実現する。
• 非対称な挙動を記述し、時間帯域幅性能を予測するために時間変動系モデルを用いる。
• パルス幅およびスペクトル帯域幅の測定を通じて、時間帯域幅積の実験的検証を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称光共振器は、従来の時間帯域幅積の限界1を打ち破ることができるか？
• RQ2 時間変動キャビティにおいてローレンツ反復性を破ることで、時間帯域幅積はどの程度まで向上できるか？
• RQ3 スペクトル幅を損なわず、長時間の相互作用を実現する広帯域パルスの保存は可能か？
• RQ4 動的キャビティ制御は、高帯域の光パルスの必要時保存および放出をどのように可能にするか？
• RQ5 非対称共振系における時間帯域幅性能の実用的および理論的限界は何か？

主な発見

• 実験では時間帯域幅積が30に達し、従来の対称系における1という限界を著しく上回った。
• 広帯域パルスの注入および保存において最小限の歪みが確認され、高帯域動作の実現可能性が裏付けられた。
• 時間変動キャビティ設計によりローレンツ反復性が成功裏に破られ、時間帯域幅トレードオフを克服する上で不可欠な非対称挙動が実現された。
• 時間帯域幅積は実験的制約にのみ制限され、理論的上限は存在しないため、任意に大きな値をとる可能性がある。
• 高忠実度で必要時のパルス放出が達成され、光の保存および回収に対する実用的制御が実証された。
• 理論的予測である「非対称系は原則的に無限大の時間帯域幅性能を達成可能である」が、実験的に裏付けられた。