Mikrorezonátory optických vlnovodů vytvořené skupinou profesora Won Parka na University of Colorado Boulder otevírají dveře k novým-technologiím čipových senzorů dokořán.
Tyto drobné optické senzory zachycují světlo na-čipu a vytvářejí jeho intenzitu-a jejich vysokou-Q faktor a nelinearita je činí ideálními pro aplikace, jako jsou lasery s úzkou{0}}šířkou čáry prostřednictvím stimulovaného Brillouinova a Ramanova rozptylu, generování frekvenčních hřebenů nebo kvantové zpracování informací.
„Máme zájem prozkoumat nelineární optiku s novými materiály-v našem případě, chalkogenidy, které jsou známé svou transparentností na dlouhých vlnových délkách, vysokou nelinearitou a amorfní povahou, které mají možnosti integrace s jinými materiály, jako je niobát lithný a nitrid křemíku,“ vysvětluje Park, profesor elektrotechniky.
Euler?
Konstrukce optického vlnovodu mikrorezonátoru skupiny je založena na Eulerových „U“ ohybech, které umožňují, aby světlo zůstalo uvnitř mikrorezonátoru asi 3 nanosekundy (během 3- ns životnosti fotonu světlo urazí asi půl metru nebo téměř tisíc okružních cest). To zvyšuje délku dráhy zařízení a umožňuje nelineární optické interakce. V podstatě poskytuje výzkumníkům kontrolu nad ztrátou ohybu, která je vlastní mikrorezonátorům, a umožňuje ultranízká{5}}ztrátová zařízení podobná jiným-moderním{7}}materiálovým platformám.
Simulace byly zásadní pro identifikaci toho, proč tradiční rezonátory ztrácejí tolik světla. "Použili jsme COMSOL Multiphysics k výpočtu rozložení polí režimů a provádění integrálů překrytí," říká Park. "To nám umožnilo určit 'sladké místo' na křižovatce, kde se setkávají rovné a zakřivené vlnovody. Použili jsme také simulace FDTD k modelování toho, jak se světlo šíří Eulerovými křivkami, abychom zajistili, že můžeme potlačit buzení v režimu vyššího-řádu, které obvykle trápí tato malá-zařízení."
Skupina ve skutečnosti navrhla struktury pro další experiment a byla velmi překvapena, když objevila vysokou-Q faktory, které se od té doby opakovaly ve dvou různých čistých prostorách.
„Naším „aha“ momentem bylo zjištění, že pomocí Eulerových křivek,-kde se zakřivení mění lineárně-, můžeme v podstatě ‚oklamat‘ světlo, aby zůstalo v základním režimu i přes velmi úzké zatáčky,“ říká Park. „Bylo neuvěřitelně obohacující vidět, že naše experimentální výsledky odpovídají teoretickému faktoru vnitřní kvality 4,55 × 10.6. Dosažení nejvyššího nelineárního čísla zásluh hlášeného pro chalkogenidové PIC je třešničkou navrchu."
Litografická výzva
Aby se tam dostala, musela skupina nejprve vyvinout proces litografického vzorování elektronovým paprskem pro svůj materiál, protože tradiční litografie, která využívá fotony, je omezena vlnovou délkou světla.
Hlavní překážka? Citlivost na materiál. „Chalkogenidy mohou trpět povrchovou oxidací a vstřebáváním- nečistot,“ říká Park. "Ve snaze, kterou vedli dva postgraduální studenti, Bright Lu a James Erikson, jsme to překonali použitím procesu vakuového žíhání při 250 stupních, abychom zlepšili homogenitu materiálu a snížili drsnost povrchu. Potřebovali jsme také přesně zkalibrovat náš chlorid boritý (BCl3) a plynné směsi argonu (Ar) během indukčně vázaného plazmatu reaktivního iontového leptání (ICP RIE), aby byly zajištěny hladké boční stěny, což je životně důležité pro udržení „ultrahigh“-Q"výkon."
'Švýcarský armádní nůž' pro PICs
Tyto rezonátory jsou podobné „švýcarskému armádnímu noži pro PIC,“ říká Park. "Kvůli vysoké-Qfaktorem a nelinearitou jsou ideální pro širokou škálu aplikací, jako jsou lasery s úzkou{0}}šířkou čáry prostřednictvím stimulovaného Brillouinova a Ramanova rozptylu, generování frekvenčních hřebenů pro metrologii a telekomunikace nebo kvantové zpracování informací, kde nelze vyjednávat o nízkých-ztrátách-čipů.“
Nyní, když skupina společnosti Park prokázala nízké-ztrátové schopnosti platformy (0,43 dB/m absorpce), hledí na konečný limit ztráty. „Také dále rozšiřujeme vlnovody, abychom se posunuli směrem k „materiálu-omezené“ výkonnosti, což by mohlo potenciálně posunout našeQ-faktory ještě vyšší a umožňují ještě efektivnější nelineární interakce,“ říká.
DALŠÍ ČTENÍ
