Laserové vlnové dĺžky potrebné pre mnohé z dnešných najzaujímavejších experimentov, najmä vo viditeľnom rozsahu, sú výzvou pre zdroj malých fotonických integrovaných obvodov (PIC). Ale výskumníci a kolegovia z amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie (NIST) v oblasti fotoniky a kolegovia z Octave Photonics vedú riešenie tohto problému s prístupom na vlnovú dĺžku-a tiež riešia výzvy spojené s spájaním rôznych fotonických funkcií na podporu optického prepínania, smerovania a filtrovania.
Jedným bežným prístupom je dnes kombinovať rôzne fotonické materiály s cieľom umožniť tieto rôzne funkcie a využiť silné stránky tam, kde existujú, ale žiadny jediný materiál to nedokáže urobiť v rozsahu požadovaných pre nové aplikácie.
"Naša práca bola inšpirovaná vznešeným cieľom dosiahnuť 'lasery s ľubovoľnou vlnovou dĺžkou' s priamou kompatibilitou s existujúcimi fotonickými technológiami," hovorí Grant M. Brodnik, fyzik v NIST's Quantum and Nonlinear Nanophotonics Group. "A demonštrovali sme ďalšie funkcie, ako sú frekvenčné hrebene a generovanie superkontinua, pretože ich platforma priamo podporuje. Tieto schopnosti hrajú kľúčovú úlohu v mnohých dôležitých aplikáciách."
Ďakujem, nelineárna optika
Na dosiahnutie rýchlosti, ktorú si umelá inteligencia (AI) a kvantové aplikácie vyžadujú, je kritický prechod od elektrónov k fotónom-a rovnako tak aj lasery s „akoukoľvek vlnovou dĺžkou“ v čipovej škále.
Krátke vysvetlenie nového prístupu tímu: Začína sa štandardným kremíkovým plátkom potiahnutým oxidom kremičitým (sklo) a niobátom lítnym, nelineárnym materiálom, ktorý môže zmeniť farbu svetla, ktoré doň vstupuje. Pridanie kovu umožňuje, aby sa niobát lítny elektricky vytočil-na premenu jednej farby svetla na iné. Podobné kovové-lítium-niobátové rozhrania umožňujú rýchle zapínanie a vypínanie svetla (napríklad vysokorýchlostné-smerovanie a spracovanie údajov).
Ukladanie zložitých vzorov oxidu tantaličného, známeho tiež ako tantala, priamo na ostatné fotonické obvody umožňuje všestranným fotonickým platformám fungovať spoločne. Tantala je silný nelineárny materiál a je vhodný na prevádzku s viditeľnými vlnovými dĺžkami. "Rozhodne má príťažlivé materiálové vlastnosti (súvisiace s jeho výrobou), vďaka ktorým je prístupný priamej integrácii s inými fotonickými materiálmi, " hovorí Brodnik.
Keď výskumníci vzorovali materiály na sebe v 3D stohu, skončili s jediným čipom, ktorý efektívne smeruje svetlo medzi vrstvami. Tento čip kombinuje schopnosti tantaly manipulovať so svetlom s ovládateľnosťou niobátu lítneho.
Nelineárna optika je teraz už „nie{0}}tak-tajná omáčka“ fyzika, ktorú využívajú „na vytvorenie úplne nových farieb svetla z jedinej farby, ktorú vložíme,“ vysvetľuje Brodnik. „Ak fotíte fotoaparátom, neočakávate, že sa farby obrázka pri prechode cez šošovku zmenia. Ale s nelineárnymi materiálmi pri vysokých optických výkonoch, ktoré poskytujú lasery, sa to presne stane. Ide o kľúčovú techniku poháňajúcu stolové-lasery, ktoré dnes vytvárajú množstvo vlastných farieb. Tieto techniky používame-, ale s veľkosťou fotonických obvodov v zariadeniach menších ako ryža.“
Najúžasnejším aspektom tejto práce pre Brodnika je vidieť „nové, často oslnivé farby svetla vystupujúce z našich zariadení z premeny vstupného svetla (ktoré je našim očiam neviditeľné),“ hovorí. "V laboratóriu, keď čip sedí na testovacom stolíku, pomaly nastavujeme prevádzkové parametre a bum, cez čip začne svietiť žiarivá modrá-zelená. Na ďalšom zariadení ho zmeníme na modro-fialový. Je to trochu ako mágia."
Ich práca „pokladá základy a demonštruje potenciál platformy,“ hovorí Brodnik. "Určite budeme pracovať na optimalizácii výkonu existujúcich návrhov, ale platforma odomyká nové funkcie a dizajnové gombíky, ktoré s nadšením preskúmame."
Mnohé aplikácie, ktoré zahŕňajú prepojenie s atómovými prechodmi,-si myslia, že kvantové snímanie a výpočty-vyžadujú svetlo vo vlnových dĺžkach pokrývajúcich viditeľné a blízke -infračervené vlnové pásma. „Aplikácie, ktoré potrebujú rýchlo smerovať a zapínať a vypínať svetlo, ako je optické spracovanie údajov a výpočtová technika, môžu využívať výhody platformy aj využitím iných fyzikálnych funkcií, ktoré materiály poskytujú,“ hovorí Brodnik. „Technológia spotrebiteľského displeja je možno ďalšou aplikáciou. Existuje mnoho ďalších-aplikácií, ktoré sme určite ani nevymysleli a ktoré teraz môže zvážiť a rozvíjať vedecká komunita.“
Tím má „niekoľko vzrušujúcich fotonických architektúr, ktoré sú v súčasnosti vo fáze návrhu, ktoré si vyžadujú celý rad funkcií, ktoré naša platforma podporuje,“ hovorí Brodnik. "Sme tiež nadšení, že môžeme spolupracovať s kolegami a ďalšími výskumníkmi, ktorí nám prinášajú nové nápady a aplikácie, o ktorých sme možno neuvažovali alebo ktoré si nevyžadujeme spoločné odborné znalosti. Vzrušujúce časy."
