Mikrorezonatory falowodowe optyczne stworzone przez grupę profesora Wona Parka z Uniwersytetu Colorado w Boulder otwierają szeroko drzwi do nowych-technologii czujników chipowych.
Te maleńkie czujniki optyczne wyłapują światło na-chipie i budują jego intensywność-oraz wysoką-Q współczynnik i nieliniowość czynią je idealnymi do zastosowań takich jak lasery-o wąskiej szerokości linii wykorzystujące stymulowane rozpraszanie Brillouina i Ramana, generowanie grzebienia częstotliwości lub kwantowe przetwarzanie informacji.
„Jesteśmy zainteresowani badaniem optyki nieliniowej z nowymi materiałami-w naszym przypadku chalkogenkami, które są znane ze swojej przezroczystości przy długich falach, wysokiej nieliniowości i amorficznej natury, które umożliwiają integrację z innymi materiałami, takimi jak niobian litu i azotek krzemu” – wyjaśnia Park, profesor elektrotechniki.
Eulera?
Konstrukcja mikrorezonatora falowodowego tej grupy opiera się na zagięciach Eulera „U”, które pozwalają światłu pozostać wewnątrz mikrorezonatora przez około 3 nanosekundy (w czasie życia fotonu wynoszącego 3-ns światło pokonuje około pół metra lub prawie tysiąc podróży w obie strony). Zwiększa to długość ścieżki urządzeń i umożliwia nieliniowe interakcje optyczne. Zasadniczo daje to badaczom kontrolę nad tłumieniem zgięć właściwym dla mikrorezonatorów i umożliwia tworzenie urządzeń o ultraniskich-stratach, podobnych do innych-najnowocześniejszych-platform materiałowych.
Symulacje miały kluczowe znaczenie dla ustalenia, dlaczego tradycyjne rezonatory tracą tak dużo światła. „Użyliśmy programu COMSOL Multiphysics do obliczenia rozkładów pola modów i wykonania całek nakładania się” – mówi Park. „Pozwoliło nam to wskazać «najlepszy punkt» na skrzyżowaniu, gdzie spotykają się falowody proste i zakrzywione. Wykorzystaliśmy także symulacje FDTD do modelowania propagacji światła przez krzywe Eulera, aby mieć pewność, że możemy stłumić wzbudzenie w trybie-wyższego rzędu, które zwykle jest plagą tych-małych urządzeń”.
Grupa faktycznie zaprojektowała struktury na potrzeby innego eksperymentu i była bardzo zaskoczona odkryciem wysokich-Q czynników, które od tego czasu powtarzali w dwóch różnych pomieszczeniach czystych.
„Naszym momentem „aha” było uświadomienie sobie, że używając krzywych Eulera,-gdzie krzywizna zmienia się liniowo-, możemy w zasadzie „oszukać” światło, aby pozostało w trybie podstawowym pomimo bardzo ostrych zakrętów” – mówi Park. „Niezwykle satysfakcjonujące było obserwowanie, jak wyniki naszych eksperymentów odpowiadają teoretycznemu wewnętrznemu współczynnikowi jakości wynoszącemu 4,55 × 106. Osiągnięcie najwyższego nieliniowego wskaźnika zasług zgłoszonego dla chalkogenkowych PIC jest wisienką na torcie”.
Wyzwanie litograficzne
Aby to osiągnąć, grupa musiała najpierw opracować proces litografii za pomocą wiązki elektronów dla swojego materiału, ponieważ tradycyjna litografia wykorzystująca fotony jest ograniczona długością fali światła.
Główna przeszkoda? Wrażliwość materialna. „Chalkogenidy mogą ulegać utlenianiu powierzchniowemu i-absorpcji związanej z zanieczyszczeniami” – mówi Park. „Dzięki wysiłkom kierowanym przez dwóch absolwentów, Bright Lu i Jamesa Eriksona, przezwyciężyliśmy ten problem, stosując proces wyżarzania próżniowego w temperaturze 250 stopni, aby poprawić jednorodność materiału i zmniejszyć chropowatość powierzchni. Musieliśmy również precyzyjnie skalibrować nasz trójchlorek boru (BCl3) i mieszaninę gazowego argonu (Ar) podczas trawienia jonami reaktywnymi w plazmie sprzężonej indukcyjnie (ICP RIE), aby zapewnić gładkie ściany boczne, co jest niezbędne do utrzymania „ultrawysokiej-Q' wydajność."
„Szwajcarski scyzoryk” dla zdjęć
Rezonatory te przypominają „szwajcarski scyzoryk dla PICów” – mówi Park. „Ze względu na wysoki-Qwspółczynnikiem i nieliniowością, doskonale nadają się do szerokiej gamy zastosowań, takich jak lasery-o wąskiej szerokości linii wykorzystujące stymulowane rozpraszanie Brillouina i Ramana, generowanie grzebieni częstotliwości dla metrologii i telekomunikacji lub kwantowe przetwarzanie informacji, gdzie niskie-straty na-komponentach chipa nie podlegają negocjacjom.
Teraz, gdy grupa Parka udowodniła, że platforma oferuje niskie-straty (strata absorpcji 0,43 dB/m), przyglądają się ostatecznemu limitowi strat. „Poszerzamy także falowody, aby osiągnąć „istotną-ograniczoną” wydajność, co może potencjalnie popchnąć nasząQ-współczynniki są jeszcze wyższe i umożliwiają jeszcze wydajniejsze interakcje nieliniowe” – mówi.
DALSZE CZYTANIE
