Laserske valovne dolžine, ki so potrebne za številne današnje najzanimivejše poskuse, zlasti v vidnem območju, so izziv za pridobivanje drobnih fotonskih integriranih vezij (PIC). Toda raziskovalci fotonike ameriškega Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) in sodelavci pri Octave Photonics vodijo rešitev za to težavo z dostopom do valovne dolžine-in obravnavajo tudi izzive pri združevanju različnih fotonskih funkcij za podporo optičnega preklapljanja, usmerjanja in filtriranja
Eden pogostih pristopov danes je združevanje različnih fotonskih materialov, da bi poskušali omogočiti te različne funkcije in izkoristiti prednosti, kjer obstajajo, vendar noben posamezen material tega ne more storiti na vseh lestvicah, ki so želene za nove aplikacije.
"Naše delo je navdihnil vzvišeni cilj doseči 'laserje katere koli valovne dolžine' z neposredno združljivostjo z obstoječimi fotonskimi tehnologijami," pravi Grant M. Brodnik, fizik v NIST-ovi skupini za kvantno in nelinearno nanofotoniko. "Demonstrirali smo tudi druge funkcionalnosti, kot so frekvenčni glavniki in generiranje superkontinuuma, ker jih platforma podpira neposredno. Te zmogljivosti igrajo ključno vlogo v številnih pomembnih aplikacijah."
Hvala, nelinearna optika
Za doseganje hitrosti, ki jo zahtevajo umetna inteligenca (AI) in kvantne aplikacije, je premik od elektronov k fotonom ključnega pomena-in enako velja za laserje »poljubne valovne dolžine« v velikosti čipov.
Kratka razlaga novega pristopa ekipe: Začne se s standardno silicijevo rezino, prevlečeno s silicijevim dioksidom (steklo) in litijevim niobatom, nelinearnim materialom, ki lahko spremeni barvo svetlobe, ki vstopa vanj. Dodajanje kovine omogoča, da se litijev niobat električno priklopi-za pretvorbo ene barve svetlobe v druge. Podobni kovinski-vmesniki iz litijevega niobata lahko omogočajo hitro vklop/izklop svetlobe (pomislite na visoko{4}}hitro usmerjanje in obdelavo podatkov).
Odlaganje kompleksnih vzorcev tantalovega pentoksida, imenovanega tantala, neposredno na drugo fotonsko vezje omogoča usklajeno delovanje vsestranskih fotonskih platform. Tantala je močan nelinearen material in je zelo primeren za delovanje na vidnih valovnih dolžinah. "Kritično je, da ima privlačne materialne lastnosti (povezane z njegovo izdelavo), zaradi katerih je primeren za neposredno integracijo z drugimi fotonskimi materiali," pravi Brodnik.
Ko so raziskovalci vzorčili materiale enega na drugega v 3D-skladu, so na koncu dobili en sam čip, ki učinkovito usmerja svetlobo med plastmi. Ta čip združuje tantaline sposobnosti manipulacije s svetlobo in nadzorljivost litijevega niobata.
Nelinearna optika je zdaj "ne{0}}tako-skrivna" fizika, ki jo uporabljajo, "da iz ene same barve, ki jo vnesemo, ustvarijo popolnoma nove barve svetlobe," pojasnjuje Brodnik. »Če posnamete sliko s fotoaparatom, ne pričakujete, da se bodo barve slike ob prehodu skozi lečo spremenile. Toda z nelinearnimi materiali z visoko optično močjo, ki jih zagotavljajo laserji, se zgodi natanko to. To je ključna tehnika, ki poganja namizne-laserje, ki danes ustvarjajo veliko barv po meri. Te tehnike uporabljamo,-vendar s fotonskim vezjem v napravah, manjših od velikosti riževega zrna.«
Najbolj kul vidik tega dela za Brodnika je videti "nove, pogosto bleščeče barve svetlobe, ki izstopajo iz naših naprav zaradi pretvorbe vhodne svetlobe (ki je nevidna našim očem)," pravi. "V laboratoriju s čipom, ki stoji na preskusnem odru, počasi nastavljamo parametre delovanja in, bum, živahna modro-zelena začne svetiti čez čip. Na naslednji napravi jo naredimo modro-vijolično. Zdi se kot čarovnija."
Njihovo delo "postavlja temelje in prikazuje potencial platforme," pravi Brodnik. "Vsekakor si bomo prizadevali optimizirati delovanje obstoječih dizajnov, vendar platforma odklepa nove funkcionalnosti in oblikovalske gumbe, ki jih z veseljem raziskujemo."
Številne aplikacije, ki vključujejo povezovanje z atomskimi prehodi-mislijo na kvantno zaznavanje in računalništvo-zahtevajo svetlobo valovnih dolžin, ki zajemajo vidni in skoraj-infrardeči valovni pas. "Aplikacije, ki morajo hitro usmeriti in vklopiti/izklopiti svetlobo, kot je optična obdelava podatkov in računalništvo, lahko izkoristijo platformo tudi z izkoriščanjem drugih fizikalnih funkcionalnosti, ki jih zagotavljajo materiali," pravi Brodnik. "Tehnologija potrošniških zaslonov je morda še ena aplikacija. Obstaja še veliko več-takšnih, na katere sploh nismo pomislili, zdaj pa jih lahko obravnava in razvija znanstvena skupnost."
Ekipa ima "peščico vznemirljivih fotonskih arhitektur, ki so trenutno v fazi načrtovanja, kar zahteva polno število zmogljivosti, ki jih podpira naša platforma," pravi Brodnik. "Navdušeni smo tudi nad sodelovanjem s kolegi in drugimi raziskovalci, ki nam prinašajo nove zamisli in aplikacije, o katerih morda še nismo razmišljali ali za katere potrebujemo skupno strokovno znanje. Razburljivi časi."
