Lungimile de undă laser necesare pentru multe dintre cele mai interesante experimente din ziua de azi, în special în domeniul vizibil, reprezintă o provocare pentru a obține mici circuite fotonice integrate (PIC). Dar cercetătorii și colegii de la Octave Photonics de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST) sunt vârful de lance a unei soluții la această problemă de acces la lungimea de undă-și, de asemenea, abordează provocările de a uni diferite funcții fotonice pentru a sprijini comutarea optică, rutarea și filtrarea
O abordare comună astăzi este combinarea diferitelor materiale fotonice pentru a încerca să activeze aceste funcții diferite și să folosească punctele forte acolo unde există, dar niciun material nu poate face acest lucru la toate scalele dorite pentru aplicarea noilor aplicații.
„Munca noastră a fost inspirată de obiectivul înalt de a obține „lasere cu orice lungime de undă”, cu compatibilitate directă cu tehnologiile fotonice existente”, spune Grant M. Brodnik, fizician în cadrul NIST Quantum and Nonlinear Nanophotonics Group. „Și am demonstrat și alte funcționalități precum piepteni de frecvență și generarea de supercontinuum, deoarece platforma le susține direct. Aceste capabilități joacă un rol cheie în multe aplicații importante.”
Mulțumesc, optică neliniară
Pentru a atinge viteza cerută de inteligența artificială (IA) și aplicațiile cuantice, este esențială trecerea de la electroni la fotoni-la fel și laserele la scară de cip „orice lungime de undă”.
O scurtă explicație a noii abordări a echipei: începe cu o placă standard de siliciu acoperită cu dioxid de siliciu (sticlă) și niobat de litiu, un material neliniar care poate modifica culoarea luminii care intră în el. Adăugarea de metal permite ca niobatul de litiu să fie conectat electric-pentru a converti o culoare de lumină în altele. Interfețele similare cu niobat de metal-litiu pot permite pornirea/oprirea rapidă a luminii (gândiți-vă la rutarea-de mare viteză și procesarea datelor).
Depunerea modelelor complexe de pentoxid de tantal, aka tantala, direct deasupra celorlalte circuite fotonice permite platformelor fotonice versatile să funcționeze în mod concert. Tantala este un material neliniar puternic și se potrivește bine pentru funcționarea cu lungimea de undă vizibilă. „În mod critic, are proprietăți materiale atrăgătoare (legate de fabricarea sa) care îl fac susceptibil de integrare directă cu alte materiale fotonice”, spune Brodnik.
Când cercetătorii au modelat materialele unul peste altul într-o stivă 3D, au ajuns să aibă un singur cip care direcționează eficient lumina între straturi. Acest cip combină abilitățile de manipulare a luminii ale tantalei cu controlabilitatea niobatului de litiu.
Optica neliniară este acum fizica „nu{0}}atât de-secretă” pe care o folosesc „pentru a face culori de lumină complet noi din culoarea unică pe care o punem”, explică Brodnik. „Dacă faci o fotografie cu o cameră, nu te aștepți ca culorile imaginii să se schimbe atunci când trec printr-un obiectiv. Dar cu materiale neliniare la puteri optice mari furnizate de lasere, este exact ceea ce se întâmplă. Este o tehnică cheie care alimentează laserele de masă, care creează multe culori personalizate astăzi.
Cel mai tare aspect al acestei lucrări pentru Brodnik este să văd „culori noi, adesea orbitoare, de lumină iese din dispozitivele noastre din conversia luminii de intrare (care este invizibilă pentru ochii noștri)”, spune el. „În laborator, cu un cip așezat pe o etapă de testare, introducem încet parametrii de funcționare și, boom, un albastru-verde vibrant începe să strălucească peste cip. Pe următorul dispozitiv, îl facem albastru-violet. Se simte un pic ca o magie.”
Munca lor „pune fundația și demonstrează potențialul platformei”, spune Brodnik. „Cu siguranță vom lucra pentru a optimiza performanța designurilor existente, dar platforma deblochează noi funcționalități și butoane de design pe care suntem încântați să le explorăm.”
Multe aplicații care implică interfața cu tranziții atomice-cred că detecția și calculul cuantic-necesită lumină la lungimi de undă care acoperă benzile de undă vizibile și apropiate de-infraroșu. „Aplicațiile care trebuie să direcționeze și să pornească și să oprească rapid lumina, cum ar fi procesarea optică a datelor și calculul, pot beneficia și de platformă prin valorificarea altor funcționalități fizice pe care le oferă materialele”, spune Brodnik. „Tehnologia de afișare pentru consumatori este poate o altă aplicație. Există multe altele-cu siguranță la care nici nu ne-am gândit, care pot fi acum luate în considerare și dezvoltate de comunitatea științifică.”
Echipa are „o mână de arhitecturi fotonice interesante în prezent în faze de proiectare, care necesită o serie completă de capabilități pe care platforma noastră le suportă”, spune Brodnik. „Suntem, de asemenea, încântați să colaborăm cu colegii și alți cercetători care ne-au adus idei și aplicații noi pe care probabil nu le-am luat în considerare sau pe care nu avem nevoie de experiență comună pentru a le urmări. Vremuri interesante”.
