Laserske talasne dužine potrebne za mnoge od današnjih najintrigantnijih eksperimenata, posebno unutar vidljivog opsega, predstavljaju izazov za izvor za male fotonske integrisane kola (PIC). Ali istraživači fotonike i kolege s američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) iz Octave Photonics predvode rješenje ovog problema pristupa talasnoj dužini-i također se bave izazovima ujedinjenja različitih fotonskih funkcija za podršku optičkog prebacivanja, usmjeravanja i filtriranja
Jedan uobičajeni pristup danas je da se kombinuju različiti fotonički materijali kako bi se pokušale omogućiti ove različite funkcije i iskoristiti snage tamo gde postoje, ali nijedan materijal to ne može učiniti u željenim razmerama za nove primene.
"Naš rad je inspirisan uzvišenim ciljem postizanja 'lasera bilo koje valne dužine', sa direktnom kompatibilnošću sa postojećim fotonskim tehnologijama," kaže Grant M. Brodnik, fizičar iz NIST-ove grupe za kvantnu i nelinearnu nanofotoniju. "I demonstrirali smo druge funkcionalnosti kao što su frekventni češljevi i generiranje superkontinuuma, jer ih platforma direktno podržava. Ove mogućnosti igraju ključnu ulogu u mnogim važnim aplikacijama."
Hvala, nelinearna optika
Da bi se dostigla brzina koju zahtijevaju umjetna inteligencija (AI) i kvantne aplikacije, prelazak s elektrona na fotone je kritičan-a tako su i laseri "bilo koje valne dužine" na skali čipa.
Kratko objašnjenje novog pristupa tima: Počinje sa standardnom silikonskom pločicom obloženom silicijum dioksidom (staklo) i litijum niobatom, nelinearnim materijalom koji može da promeni boju svetlosti koja ulazi u nju. Dodavanje metala omogućava litijum niobatu da se električno uključi-za pretvaranje jedne boje svjetlosti u drugu. Slični metalni-litijum niobatni interfejsi mogu omogućiti brzo uključivanje/isključivanje svjetla (mislite na brzo-usmjeravanje i obradu podataka).
Postavljanje složenih uzoraka tantal pentoksida, zvanog tantala, direktno na druge fotonske sklopove omogućava da svestrane fotonske platforme rade zajedno. Tantala je snažan nelinearni materijal i dobro je prikladan za rad na vidljivim talasnim dužinama. "Kritično je da ima privlačna svojstva materijala (vezana za njegovu proizvodnju) koja ga čine podložnim direktnoj integraciji s drugim fotonskim materijalima", kaže Brodnik.
Kada su istraživači postavili uzorke materijala jedan na drugi u 3D hrpu, na kraju su dobili jedan čip koji efikasno usmjerava svjetlost između slojeva. Ovaj čip kombinuje tantalinu sposobnost manipulacije svetlom sa mogućnošću kontrole litijum niobata.
Nelinearna optika je sada "ne-tako-tajni sos" fizika koju koriste "da naprave potpuno nove boje svjetlosti od jedne boje koju smo ubacili", objašnjava Brodnik. "Ako snimite sliku kamerom, ne očekujete da će se boje slike promijeniti prilikom prolaska kroz sočivo. Ali s nelinearnim materijalima pri velikim optičkim snagama koje pružaju laseri, to se upravo događa. To je ključna tehnika za napajanje stolnih-lasera koji danas prave mnogo prilagođenih boja. Koristimo ove tehnike-ali koristimo ove tehnike-ali u malom foto krugu od malih dimenzija."
Najzgodniji aspekt ovog rada za Brodnika je vidjeti da "nove, često blistave boje svjetlosti iskaču iz naših uređaja od pretvaranja ulaznog svjetla (koje je nevidljivo našim očima)", kaže on. "U laboratoriji, s čipom koji se nalazi na testnoj pozornici, polako biramo parametre rada i, bum, živo plavo-zeleno počinje svijetliti preko čipa. Na sljedećem uređaju ga činimo plavo-ljubičastim. Pomalo je kao magija."
Njihov rad "postavlja temelje i demonstrira potencijal platforme", kaže Brodnik. "Sigurno ćemo raditi na optimizaciji performansi postojećih dizajna, ali platforma otključava nove funkcionalnosti i dizajnerske gumbe koje smo uzbuđeni da istražimo."
Mnoge aplikacije koje uključuju povezivanje s atomskim prijelazima-smatraju da kvantno otkrivanje i računarstvo-zahtijeva svjetlo na talasnim dužinama koje obuhvataju vidljivi i bliski{2}}infracrveni talasni opseg. "Aplikacije koje trebaju brzo usmjeriti i uključiti/isključiti svjetlo, poput optičke obrade podataka i računarstva, mogu imati koristi od platforme, kao i korištenjem drugih fizičkih funkcionalnosti koje materijali pružaju", kaže Brodnik. "Tehnologija displeja za potrošače je možda još jedna aplikacija. Postoji mnogo više-onih koje svakako nismo ni smislili, a koje sada može razmotriti i razviti naučna zajednica."
Tim ima "pregršt uzbudljivih fotonskih arhitektura koje su trenutno u fazi projektovanja, koje zahtijevaju čitav niz mogućnosti koje podržava naša platforma", kaže Brodnik. "Takođe smo uzbuđeni što sarađujemo s kolegama i drugim istraživačima koji su nam donosili nove ideje i primjene koje možda nismo razmatrali ili nam je potrebna zajednička stručnost za ostvarivanje. Uzbudljiva vremena."
