Długości fal lasera wymagane w wielu najbardziej intrygujących współczesnych eksperymentach, szczególnie w zakresie widzialnym, stanowią wyzwanie w przypadku poszukiwania małych fotonicznych układów scalonych (PIC). Jednak badacze zajmujący się fotoniką w Amerykańskim Narodowym Instytucie Standardów i Technologii (NIST) oraz współpracownicy z Octave Photonics opracowują rozwiązanie tego problemu z dostępem do długości fal-a także mierzą się z wyzwaniami polegającymi na łączeniu różnych funkcji fotonicznych w celu obsługi przełączania, routingu i filtrowania optycznego
Obecnie powszechnym podejściem jest łączenie różnych materiałów fotonicznych w celu umożliwienia realizacji tych różnych funkcji i wykorzystania mocnych stron tam, gdzie one istnieją, jednak żaden pojedynczy materiał nie jest w stanie tego zrobić w skali wymaganej do wprowadzenia nowych zastosowań.
„Inspiracją dla naszej pracy był wzniosły cel, jakim było uzyskanie„ laserów o dowolnej długości fali ”o bezpośredniej kompatybilności z istniejącymi technologiami fotonicznymi” – mówi Grant M. Brodnik, fizyk z Grupy Nanofotoniki Kwantowej i Nieliniowej NIST. „Zademonstrowaliśmy także inne funkcjonalności, takie jak grzebienie częstotliwości i generowanie superkontinuum, ponieważ platforma obsługuje je bezpośrednio. Możliwości te odgrywają kluczową rolę w wielu ważnych zastosowaniach”.
Dziękuję, optyka nieliniowa
Aby osiągnąć prędkość wymaganą przez sztuczną inteligencję (AI) i aplikacje kwantowe, przejście od elektronów do fotonów ma kluczowe znaczenie-podobnie jak lasery chipowe o dowolnej długości fali.
Krótkie wyjaśnienie nowego podejścia zespołu: zaczyna się od standardowej płytki krzemowej pokrytej dwutlenkiem krzemu (szkłem) i niobianem litu – materiałem nieliniowym, który może zmieniać kolor wpadającego do niego światła. Dodanie metalu umożliwia elektryczne włączenie niobianu litu-w celu konwersji jednego koloru światła na inny. Podobne interfejsy z metalowym-niobianem litu mogą umożliwiać szybkie włączanie i wyłączanie światła (pomyśl o-szybkim routingu i przetwarzaniu danych).
Osadzanie złożonych wzorów pięciotlenku tantalu, zwanego także tantalą, bezpośrednio na innych obwodach fotonicznych umożliwia wspólne działanie wszechstronnych platform fotonicznych. Tantala jest mocnym materiałem nieliniowym i dobrze nadaje się do pracy na długości fali widzialnej. „Co najważniejsze, ma atrakcyjne właściwości materiałowe (związane z procesem wytwarzania), dzięki którym można go bezpośrednio zintegrować z innymi materiałami fotonicznymi” – mówi Brodnik.
Kiedy badacze ułożyli materiały jeden na drugim, tworząc trójwymiarowy stos, w efekcie otrzymali pojedynczy chip, który skutecznie kieruje światło między warstwami. Chip ten łączy w sobie możliwości manipulacji światłem tantaly ze sterownością niobianu litu.
Optyka nieliniowa to obecnie „nie--tajemnicza metoda”, którą wykorzystujemy, aby „z jednego dodanego przez nas koloru uzyskać zupełnie nowe kolory światła” – wyjaśnia Brodnik. „Jeśli robisz zdjęcie aparatem, nie spodziewasz się, że kolory obrazu zmienią się po przejściu przez obiektyw. Jednak w przypadku materiałów nieliniowych o dużych mocach optycznych wytwarzanych przez lasery właśnie tak się dzieje. Jest to kluczowa technika zasilająca lasery stołowe-, które obecnie wytwarzają wiele niestandardowych kolorów. Używamy tych technik,-ale z obwodami fotonicznymi w urządzeniach mniejszych niż wielkość ziarenka ryżu.
Najfajniejszym aspektem tej pracy dla Brodnika jest to, że „nowe, często olśniewające kolory światła wyskakują z naszych urządzeń w wyniku konwersji światła wejściowego (które jest niewidoczne dla naszych oczu)” – mówi. „W laboratorium, gdy chip znajduje się na etapie testowym, powoli wybieramy parametry działania i bum, żywy niebieski-zielony zaczyna świecić na chipie. Na następnym urządzeniu zmieniamy go na niebiesko-fioletowy. To trochę jak magia”.
Ich praca „kładzie fundamenty i demonstruje potencjał platformy” – mówi Brodnik. „Z pewnością będziemy pracować nad optymalizacją wydajności istniejących projektów, ale platforma odblokowuje nowe funkcje i pokrętła projektowe, które z radością odkryjemy”.
Wiele zastosowań obejmujących przejścia atomowe-uważa, że wykrywanie kwantowe i obliczenia-wymagają światła o długości fali obejmującej pasma widzialne i bliską-podczerwień. „Aplikacje, które muszą szybko kierować i włączać/wyłączać światło, takie jak optyczne przetwarzanie danych i obliczenia, mogą również skorzystać na platformie, wykorzystując inne funkcje fizyczne zapewniane przez materiały” – mówi Brodnik. „Technologia wyświetlaczy konsumenckich to być może kolejne zastosowanie. Jest o wiele więcej-z pewnością takich, których nawet nie wymyśliliśmy, a które mogą teraz zostać rozważone i opracowane przez społeczność naukową”.
Zespół ma „kilka ekscytujących architektur fotonicznych znajdujących się obecnie na etapie projektowania, które wymagają pełnego zakresu funkcji obsługiwanych przez naszą platformę” – mówi Brodnik. „Jesteśmy również podekscytowani współpracą z kolegami i innymi badaczami, którzy dostarczają nam nowych pomysłów i zastosowań, których być może nie rozważaliśmy lub których realizacja wymaga wspólnej wiedzy specjalistycznej. Ekscytujące czasy”.
