Microrezonatoarele cu ghid de undă optice create de grupul profesorului Won Park de la Universitatea din Colorado Boulder deschid larg ușa către noi tehnologii de senzori pe-cipuri.
Acești senzori optici minusculi captează lumina pe-cip și își construiesc intensitatea-și înaltul-Q factorul și neliniaritatea le fac ideale pentru aplicații precum laserele cu lățime de linie îngustă-prin împrăștierea Brillouin și Raman stimulată, generarea de pieptene de frecvență sau procesarea informațiilor cuantice.
„Suntem interesați să explorăm optica neliniară cu materiale noi-în cazul nostru, calcogenurile, care sunt cunoscute pentru transparența lungimii de undă lungi, neliniaritatea ridicată și natura amorfă, care au posibilități de integrare cu alte materiale precum niobat de litiu și nitrură de siliciu”, explică Park, profesor de inginerie electrică.
Euler?
Designul microrezonatorului cu ghid de undă optică al grupului se bazează pe curbele Euler „U”, care permit luminii să rămână în interiorul microrezonatorului timp de aproximativ 3 nanosecunde (în timpul duratei de viață a fotonului de 3-ns, lumina parcurge aproximativ o jumătate de metru sau aproape o mie de călătorii dus-întors). Aceasta mărește lungimea traseului dispozitivelor și permite interacțiuni optice neliniare. În esență, le oferă cercetătorilor controlul pierderii de îndoire inerente microrezonatoarelor și permite dispozitive cu pierderi ultra-scăzute, similare cu alte platforme de materiale de ultimă generație.
Simulările au fost esențiale pentru a identifica de ce rezonatoarele tradiționale pierd atât de multă lumină. „Am folosit COMSOL Multiphysics pentru a calcula distribuțiile câmpurilor de mod și pentru a realiza integrale de suprapunere”, spune Park. „Acest lucru ne-a permis să identificăm un „punct dulce” la joncțiunea unde se întâlnesc ghidurile de undă drepte și curbate. De asemenea, am folosit simulări FDTD pentru a modela modul în care lumina se propagă prin curbele Euler, pentru a ne asigura că putem suprima excitația în modul de comandă mai mare-care afectează de obicei aceste dispozitive cu amprentă mică-."
De fapt, grupul a proiectat structurile pentru un alt experiment și a fost foarte surprins să descopere înalte-Q factori pe care i-au repetat de atunci în două camere curate diferite.
„Momentul nostru „aha” a fost să ne dăm seama că, folosind curbele Euler-în care curbura se modifică liniar-, în esență, am putea „păcăli” lumina să rămână în modul fundamental, în ciuda curbelor foarte strânse”, spune Park. „A fost incredibil de satisfăcător să văd că rezultatele noastre experimentale se potrivesc cu factorul teoretic de calitate intrinsecă de 4,55 × 10.6. Obținerea celei mai înalte valori neliniare de merit raportată pentru PIC-urile cu calcogenură este cireașa.”
Provocarea litografiei
Pentru a ajunge acolo, grupul a trebuit mai întâi să dezvolte un proces de modelare litografică cu fascicul de electroni pentru materialul lor, deoarece litografia tradițională care utilizează fotoni este limitată de lungimea de undă a luminii.
Principalul obstacol implicat? Sensibilitatea materialului. „Calcogenurile pot suferi de oxidarea suprafeței și absorbția legată de impurități-”, spune Park. „Într-un efort condus de doi studenți absolvenți, Bright Lu și James Erikson, am depășit acest lucru utilizând un proces de recoacere în vid la 250 de grade pentru a îmbunătăți omogenitatea materialului și a reduce rugozitatea suprafeței. De asemenea, trebuia să ne calibram cu precizie triclorura de bor (BCl).3) și amestec de gaz argon (Ar) în timpul gravării cu ioni reactivi cu plasmă cuplată inductiv (ICP RIE) pentru a asigura pereții laterali netezi, ceea ce este vital pentru menținerea „ultrahigh-Q„performanță”.
„Cuțit elvețian” pentru PIC
Aceste rezonatoare sunt asemănătoare cu „un cuțit elvețian pentru PIC”, spune Park. „Din cauza creșterii-Qfactor și neliniaritate, sunt perfecte pentru o mare varietate de aplicații, cum ar fi laserele cu lățime de linie îngustă-prin împrăștierea stimulată Brillouin și Raman, generarea de pieptene de frecvență pentru metrologie și telecomunicații sau procesarea informațiilor cuantice în cazul în care pierderile-scăzute ale componentelor-chipului nu sunt negociabile."
Acum, că grupul lui Park a dovedit capacitatea de pierdere-scăzută a platformei (0,43 dB/m pierdere de absorbție), ei urmăresc limita finală de pierdere. „De asemenea, extindem și mai mult ghidurile de undă pentru a trece la performanța „material-limitată”, ceea ce ar putea să ne împingăQ-factori și mai mari și permit interacțiuni neliniare și mai eficiente”, spune el.
LITTURĂ A MULTE
