Laserske valne duljine potrebne za mnoge od današnjih najintrigantnijih eksperimenata, posebno unutar vidljivog raspona, predstavljaju izazov za izvor sićušnih fotonskih integriranih sklopova (PIC). Ali istraživači fotonike američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) i kolege iz tvrtke Octave Photonics predvode rješenje za ovaj problem pristupa valnim duljinama-i također se bave izazovima ujedinjenja različitih fotonskih funkcija za podršku optičkog prebacivanja, usmjeravanja i filtriranja
Jedan uobičajeni pristup danas je kombiniranje različitih fotonskih materijala kako bi se pokušale omogućiti te različite funkcije i iskoristiti snage tamo gdje one postoje, ali niti jedan pojedinačni materijal to ne može učiniti u svim razmjerima koji su željeni za nove primjene.
"Naš je rad bio inspiriran uzvišenim ciljem postizanja lasera 'bilo koje valne duljine', s izravnom kompatibilnošću s postojećim fotoničkim tehnologijama", kaže Grant M. Brodnik, fizičar u NIST-ovoj Grupi za kvantnu i nelinearnu nanofotoniku. "Pokazali smo i druge funkcionalnosti kao što su frekvencijski češljevi i generiranje superkontinuuma, jer ih platforma izravno podržava. Ove mogućnosti igraju ključnu ulogu u mnogim važnim aplikacijama."
Hvala, nelinearna optika
Da bi se postigla brzina koju zahtijevaju umjetna inteligencija (AI) i kvantne aplikacije, prijelaz s elektrona na fotone je kritičan-, a isto tako i laseri "bilo koje valne duljine" veličine čipa.
Kratko objašnjenje novog pristupa tima: Započinje standardnom silikonskom pločicom obloženom silicijevim dioksidom (staklom) i litijevim niobatom, nelinearnim materijalom koji može promijeniti boju svjetlosti koja ulazi u nju. Dodavanje metala omogućuje da se litij niobat električki-priključi za pretvaranje jedne boje svjetlosti u drugu. Slična sučelja od metal-litij niobata mogu omogućiti brzo uključivanje/isključivanje svjetla (razmislite o brzom-usmjeravanju i obradi podataka).
Polaganje složenih uzoraka tantalovog pentoksida, poznatog i kao tantala, izravno na drugi fotonski sklop omogućuje zajednički rad raznovrsnih fotonskih platformi. Tantala je snažan nelinearan materijal i dobro je prilagođen radu na vidljivim valnim duljinama. "Kritično, ima privlačna svojstva materijala (povezana s njegovom proizvodnjom) koja ga čine podložnim izravnoj integraciji s drugim fotonskim materijalima", kaže Brodnik.
Kada su istraživači uzorkovali materijale jedan na drugi u 3D nizu, dobili su jedan čip koji učinkovito usmjerava svjetlost između slojeva. Ovaj čip kombinira tantaline sposobnosti manipulacije svjetlom s upravljivošću litij niobata.
Nelinearna optika sada je "ne{0}}tako-tajni umak" fizike koju koriste "kako bi napravili potpuno nove boje svjetlosti od jedne boje koju smo stavili", objašnjava Brodnik. "Ako snimite sliku fotoaparatom, ne očekujete da će se boje slike promijeniti prilikom prolaska kroz leću. Ali s nelinearnim materijalima pri velikim optičkim snagama koje daju laseri, upravo se to događa. To je ključna tehnika koja pokreće stolne-lasere koji danas stvaraju mnoge prilagođene boje. Koristimo te tehnike-ali s fotonskim sklopovima unutar uređaja manjih od veličine zrna riže."
Najbolji aspekt ovog rada za Brodnika je vidjeti "nove, često blistave boje svjetlosti koje iskaču iz naših uređaja pretvaranjem ulazne svjetlosti (koja je nevidljiva našim očima)", kaže on. "U laboratoriju, s čipom na testnoj pozornici, polako biramo parametre rada i, bum, živo plavo-zeleno počinje svijetliti preko čipa. Na sljedećem uređaju ga činimo plavo-ljubičastim. Djeluje pomalo kao magija."
Njihov rad "postavlja temelje i pokazuje potencijal platforme", kaže Brodnik. "Sigurno ćemo raditi na optimiziranju performansi postojećeg dizajna, ali platforma otključava nove funkcionalnosti i dizajnerske gumbe koje rado istražujemo."
Mnoge aplikacije koje uključuju sučelje s atomskim prijelazima-smatraju kvantno očitavanje i računalstvo-zahtijevaju svjetlo valnih duljina koje obuhvaćaju vidljive i bliske-infracrvene valne pojaseve. "Aplikacije koje trebaju brzo usmjeravati i uključivati/isključivati svjetlo, poput optičke obrade podataka i računalstva, također mogu imati koristi od platforme iskorištavanjem drugih fizičkih funkcionalnosti koje materijali pružaju", kaže Brodnik. "Tehnologija za prikaz potrošača možda je još jedna primjena. Postoji mnogo više-onih koje sigurno nismo ni smislili, a koje znanstvena zajednica sada može razmotriti i razviti."
Tim ima "pregršt uzbudljivih fotoničkih arhitektura koje su trenutno u fazi projektiranja, a koje zahtijevaju čitav niz mogućnosti koje naša platforma podržava", kaže Brodnik. "Također smo uzbuđeni što možemo surađivati s kolegama i drugim istraživačima koji nam donose nove ideje i primjene koje možda nismo razmatrali ili zahtijevaju zajedničku ekspertizu za nastavak. Uzbudljiva vremena."
