Mikrorezonatori optičkih talasa koje je kreirala grupa profesora Vona Parka na Univerzitetu Colorado Boulder širom otvaraju vrata novim tehnologijama na{0}}čip senzorima.
Ovi sićušni optički senzori hvataju svjetlost na-čipu i grade njegov intenzitet-i njihov visok-Q faktor i nelinearnost čine ih idealnim za primjene kao što su laseri uske-line širine putem stimuliranog Brillouinova i Ramanovog raspršenja, generiranja frekventnog češlja ili kvantne obrade informacija.
"Zainteresirani smo za istraživanje nelinearne optike s novim materijalima-u našem slučaju, halkogenidima, koji su poznati po svojoj dugovalnoj transparentnosti, visokoj nelinearnosti i amorfnoj prirodi koji imaju mogućnosti integracije s drugim materijalima kao što su litijum niobat i silicijum nitrid", objašnjava Park, profesor elektrotehnike.
Euler?
Grupni dizajn mikrorezonatora optičkog talasa baziran je na Eulerovim "U" krivinama, koje omogućavaju svjetlosti da ostane unutar mikrorezonatora oko 3 nanosekunde (tokom životnog vijeka fotona od 3-ns, svjetlost putuje oko pola metra ili skoro hiljadu povratnih putovanja). Ovo povećava dužinu putanje uređaja i omogućava nelinearne optičke interakcije. To u suštini daje istraživačima kontrolu nad gubicima savijanja svojstvenim mikrorezonatorima i omogućava uređaje s ultra malim{5}}gubicima sličnim drugim-najmodernijim{7}}platformama materijala.
Simulacije su bile ključne da bi se utvrdilo zašto tradicionalni rezonatori gube toliko svjetla. "Koristili smo COMSOL Multiphysics za izračunavanje distribucije polja modova i izvođenje integrala preklapanja", kaže Park. "Ovo nam je omogućilo da odredimo 'slatku tačku' na spoju gdje se susreću ravni i zakrivljeni talasovod. Također smo koristili FDTD simulacije da modeliramo kako se svjetlost širi kroz Eulerove krive kako bismo osigurali da možemo potisnuti ekscitaciju višeg-reda koja tipično pogađa ove uređaje malog-otiska."
Grupa je zapravo dizajnirala strukture za još jedan eksperiment i bila je veoma iznenađena kada je otkrila visoko-Q faktore koje su od tada ponavljali u dvije različite čiste sobe.
"Naš 'aha' trenutak je bio kada smo shvatili da korištenjem Eulerovih krivulja-gdje se zakrivljenost mijenja linearno-mogli bismo u suštini 'prevariti' svjetlo da ostane u osnovnom modu uprkos vrlo uskim krivinama", kaže Park. "Bilo je nevjerovatno drago vidjeti da se naši eksperimentalni rezultati poklapaju s teorijskim intrinzičnim faktorom kvalitete od 4,55 × 106. Postizanje najveće nelinearne brojke zasluga prijavljenih za halkogenidne PIC-ove je trešnja na vrhu."
Litografski izazov
Da bi tamo stigla, grupa je prvo morala da razvije proces oblikovanja litografije elektronskim snopom za svoj materijal, jer je tradicionalna litografija koja koristi fotone ograničena talasnom dužinom svetlosti.
Glavna prepreka uključena? Osetljivost materijala. "Halkogenidi mogu patiti od površinske oksidacije i apsorpcije{1}}vezane za nečistoće," kaže Park. "U nastojanju koje su predvodila dva diplomirana studenta, Bright Lu i James Erikson, ovo smo prevazišli korištenjem procesa vakuumskog žarenja na 250 stupnjeva kako bismo poboljšali homogenost materijala i smanjili hrapavost površine. Također smo morali precizno kalibrirati naš bor trihlorid (BCl).3) i mješavine plina argona (Ar) tokom induktivno spregnute plazme reaktivnog ionskog jetkanja (ICP RIE) kako bi se osigurale glatke bočne stijenke, što je od vitalnog značaja za održavanje 'ultrahigh-Q'izvedba."
'Swiss army knife' za PIC-ove
Ovi rezonatori su slični "švajcarskom nožu za PIC", kaže Park. "Zbog visoke-Qfaktora i nelinearnosti, savršeni su za širok spektar primjena kao što su laseri uske-line širine putem stimuliranog Brillouinova i Ramanovog raspršenja, generiranje frekventnog češlja za mjeriteljstvo i telekomunikacije ili kvantna obrada informacija gdje se ne može pregovarati o niskim-gubitcima na-komponentama čipa."
Sada kada je Parkova grupa dokazala niske-sposobnosti platforme (gubitak apsorpcije od 0,43 dB/m), gledaju na krajnju granicu gubitka. "Također dalje proširujemo talasovode kako bismo krenuli prema 'materijal-ograničenim' performansama, što bi potencijalno moglo potaknuti našeQ-faktori su još veći i omogućavaju još efikasnije nelinearne interakcije," kaže on.
DALJE ČITANJE
