Mikrorezonátory optického vlnovodu vytvorené skupinou profesora Won Parka na University of Colorado Boulder otvárajú dvere k novým{0}}technológiám čipových snímačov.
Tieto drobné optické senzory zachytávajú svetlo na-čipe a vytvárajú jeho intenzitu{1}}a jeho vysokú-Q Faktor a nelinearita ich robia ideálnymi pre aplikácie, ako sú lasery s úzkou{0}}šírkou čiary prostredníctvom stimulovaného Brillouinovho a Ramanovho rozptylu, generovania frekvenčných hrebeňov alebo kvantového spracovania informácií.
„Máme záujem skúmať nelineárnu optiku s novými materiálmi-v našom prípade, chalkogenidmi, ktoré sú známe svojou transparentnosťou na dlhých vlnových dĺžkach, vysokou nelinearitou a amorfnou povahou, ktoré majú možnosti integrácie s inými materiálmi, ako je niobát lítny a nitrid kremíka,“ vysvetľuje Park, profesor elektrotechniky.
Euler?
Konštrukcia mikrorezonátora optického vlnovodu skupiny je založená na Eulerových ohyboch „U“, ktoré umožňujú, aby svetlo zostalo vo vnútri mikrorezonátora približne 3 nanosekundy (počas 3- ns životnosti fotónu prejde svetlo asi pol metra alebo takmer tisíc okružných ciest). To zvyšuje dĺžku dráhy zariadení a umožňuje nelineárne optické interakcie. V podstate dáva výskumníkom kontrolu nad stratou ohybu, ktorá je vlastná mikrorezonátorom, a umožňuje ultranízko{5}}stratové zariadenia podobné iným-moderným-platformám materiálov.
Simulácie boli rozhodujúce na identifikáciu toho, prečo tradičné rezonátory strácajú toľko svetla. "Použili sme COMSOL Multiphysics na výpočet rozdelenia poľa režimov a vykonanie integrálov prekrývania," hovorí Park. "To nám umožnilo presne určiť "sladké miesto" na križovatke, kde sa stretávajú rovné a zakrivené vlnovody. Použili sme tiež simulácie FDTD na modelovanie toho, ako sa svetlo šíri cez Eulerove krivky, aby sme zaistili, že dokážeme potlačiť excitáciu v režime vyššieho- poriadku, ktorá zvyčajne trápi tieto malé-zariadenia s pôdorysom."
Skupina v skutočnosti navrhla štruktúry pre ďalší experiment a bola veľmi prekvapená, keď objavila vysoké-Q faktory, ktoré odvtedy opakovali v dvoch rôznych čistých priestoroch.
„Naším 'aha' momentom bolo zistenie, že pomocou Eulerových kriviek-kde sa zakrivenie mení lineárne-v podstate dokážeme ‚oklamať‘ svetlo, aby zostalo v základnom režime napriek veľmi úzkym zákrutám,“ hovorí Park. „Bolo neuveriteľne obohacujúce vidieť, ako sa naše experimentálne výsledky zhodujú s teoretickým faktorom vnútornej kvality 4,55 × 10.6. Dosiahnutie najvyššieho nelineárneho čísla zásluh hláseného pre chalkogenidové PIC je čerešničkou na vrchole."
Litografická výzva
Aby sa tam dostala, skupina musela najprv vyvinúť proces litografického vzorovania elektrónovým lúčom pre svoj materiál, pretože tradičná litografia, ktorá využíva fotóny, je obmedzená vlnovou dĺžkou svetla.
Hlavná prekážka? Citlivosť na materiál. „Chalkogenidy môžu trpieť povrchovou oxidáciou a absorpciou- nečistôt,“ hovorí Park. "V úsilí vedenom dvoma postgraduálnymi študentmi, Brightom Lu a Jamesom Eriksonom, sme to prekonali použitím procesu vákuového žíhania pri 250 stupňoch na zlepšenie homogenity materiálu a zníženie drsnosti povrchu. Potrebovali sme tiež presne kalibrovať náš chlorid boritý (BCl3) a plynnej zmesi argónu (Ar) počas reaktívneho iónového leptania s indukčne viazanou plazmou (ICP RIE), aby sa zabezpečili hladké bočné steny, čo je nevyhnutné na udržanie „ultrahigh“-Q"výkon."
'švajčiarsky armádny nôž' pre PICs
Tieto rezonátory sú podobné „švajčiarskemu armádnemu nožu pre PIC,“ hovorí Park. "Vzhľadom na vysokú{1}}Qfaktorom a nelinearitou sú ideálne pre širokú škálu aplikácií, ako sú lasery s úzkou{0}}šírkou čiary prostredníctvom stimulovaného Brillouinovho a Ramanovho rozptylu, generovanie frekvenčných hrebeňov pre metrológiu a telekomunikácie alebo kvantové spracovanie informácií, kde nie je možné vyjednávať o nízkych-stratách-čipových komponentov.“
Teraz, keď skupina Park preukázala nízke{0}}stratové schopnosti platformy (0,43 dB/m straty absorpcie), sledujú konečný limit straty. „Ďalej rozširujeme vlnovody, aby sme sa posunuli smerom k „materiálne-obmedzenému“ výkonu, čo by mohlo potenciálne zvýšiťQ-faktory ešte vyššie a umožňujú ešte efektívnejšie nelineárne interakcie,“ hovorí.
ĎALŠIE ČÍTANIE
