Vlnové délky laseru potřebné pro mnoho dnešních nejzajímavějších experimentů, zejména ve viditelném rozsahu, jsou výzvou pro zdroj malých fotonických integrovaných obvodů (PIC). Ale výzkumníci a kolegové z amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) v oblasti fotoniky a kolegové z Octave Photonics jsou průkopníky řešení tohoto problému s přístupem k vlnové délce-a také řeší problémy sjednocení různých fotonických funkcí pro podporu optického přepínání, směrování a filtrování.
Jedním z běžných dnešních přístupů je kombinovat různé fotonické materiály ve snaze umožnit tyto různé funkce a využít silné stránky tam, kde existují, ale žádný jediný materiál to nedokáže v rozsahu požadovaném pro nové aplikace.
„Naše práce byla inspirována vznešeným cílem dosáhnout ‚laserů jakékoli vlnové délky‘ s přímou kompatibilitou se stávajícími fotonickými technologiemi,“ říká Grant M. Brodnik, fyzik v Quantum and Nonlinear Nanophotonics Group společnosti NIST. "A předvedli jsme další funkce, jako jsou frekvenční hřebeny a generování superkontinua, protože je platforma přímo podporuje. Tyto schopnosti hrají klíčovou roli v mnoha důležitých aplikacích."
Děkuji, nelineární optika
K dosažení rychlosti, kterou vyžaduje umělá inteligence (AI) a kvantové aplikace, je zásadní posun od elektronů k fotonům-a stejně tak i čipové lasery „jakékoli vlnové délky“.
Krátké vysvětlení nového přístupu týmu: Začíná se standardním křemíkovým plátkem potaženým oxidem křemičitým (sklo) a niobatem lithným, nelineárním materiálem, který může měnit barvu světla, které do něj vstupuje. Přidání kovu umožňuje lithiumniobátu elektricky vytočit-za účelem přeměny jedné barvy světla na jiné. Podobná kovová-rozhraní lithium niobate mohou umožnit rychlé zapínání a vypínání světla (vzpomeňte si na vysokorychlostní-směrování a zpracování dat).
Ukládání složitých vzorů oxidu tantaličného, neboli tantaly, přímo na ostatní fotonické obvody umožňuje všestranným fotonickým platformám fungovat ve shodě. Tantala je silný nelineární materiál a je vhodný pro provoz na viditelné vlnové délce. "Rozhodně má přitažlivé materiálové vlastnosti (související s jeho výrobou), díky kterým je přístupný přímé integraci s jinými fotonickými materiály," říká Brodnik.
Když výzkumníci vzorovali materiály na sobě ve 3D stohu, skončili s jediným čipem, který efektivně směruje světlo mezi vrstvami. Tento čip kombinuje schopnosti tantaly manipulovat se světlem s ovladatelností niobátu lithného.
Nelineární optika je nyní již „ne-tak-tajná omáčka“ fyzika, kterou využívají, „k vytvoření zcela nových barev světla z jediné barvy, kterou vložíme,“ vysvětluje Brodnik. "Pokud fotíte fotoaparátem, neočekáváte, že se barvy obrazu při průchodu čočkou změní. Ale u nelineárních materiálů při vysokých optických výkonech poskytovaných lasery se to přesně děje. Je to klíčová technika napájející stolní-lasery, které dnes vytvářejí mnoho vlastních barev. Tyto techniky používáme-, ale s velikostí fotonických obvodů v zařízeních menší než rýže."
Nejúžasnějším aspektem této práce pro Brodnika je vidět „nové, často oslnivé barvy světla vycházející z našich zařízení z přeměny vstupního světla (které je našim očím neviditelné),“ říká. "V laboratoři s čipem umístěným na testovacím podstavci pomalu nastavujeme provozní parametry a bum, přes čip začne zářit zářivá modrá-zelená. Na dalším zařízení jej změníme na modro-fialový. Připadá mi to trochu jako kouzlo."
Jejich práce „pokládá základy a demonstruje potenciál platformy,“ říká Brodnik. "Určitě budeme pracovat na optimalizaci výkonu stávajících návrhů, ale platforma odemyká nové funkce a designové knoflíky, které s nadšením prozkoumáme."
Mnoho aplikací, které zahrnují propojení s atomovými přechody,-si myslí, že kvantové snímání a výpočty-vyžadují světlo na vlnových délkách pokrývajících viditelné a blízké -infračervené vlnové pásmo. "Aplikace, které potřebují rychle směrovat a zapínat/vypínat světlo, jako je zpracování optických dat a výpočetní technika, mohou těžit z platformy také díky využití dalších fyzikálních funkcí, které materiály poskytují," říká Brodnik. "Technologie spotřebitelských displejů je možná další aplikací. Existuje mnoho dalších-aplikací, které jsme určitě ani nevymysleli a které nyní může vědecká komunita zvažovat a rozvíjet."
Tým má „hrst vzrušujících fotonických architektur, které jsou v současné době ve fázi návrhu, které vyžadují celou řadu funkcí, které naše platforma podporuje,“ říká Brodnik. "Jsme také rádi, že můžeme spolupracovat s kolegy a dalšími výzkumníky, kteří nám přinášejí nové nápady a aplikace, o kterých jsme možná neuvažovali nebo k jejichž realizaci nepotřebujeme sdílenou odbornost. Vzrušující časy."
