Довжини хвиль лазера, необхідні для багатьох найбільш інтригуючих експериментів сучасності, особливо у видимому діапазоні, є проблемою для джерела для крихітних фотонних інтегральних схем (PIC). Але дослідники фотоніки Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) і колеги з Octave Photonics очолюють вирішення цієї проблеми доступу до довжини хвилі-, а також вирішують проблеми з об’єднанням різних фотонних функцій для підтримки оптичного перемикання, маршрутизації та фільтрації
Одним із поширених сьогодні підходів є комбінування різних фотонних матеріалів, щоб спробувати ввімкнути ці різні функції та посилити переваги там, де вони існують, але жоден окремий матеріал не може зробити це у всіх масштабах, необхідних для нових застосувань.
«Наша робота була надихнута високою метою створення «лазерів будь-якої довжини хвилі» з прямою сумісністю з існуючими фотонними технологіями», — говорить Грант М. Броднік, фізик із групи квантової та нелінійної нанофотоніки NIST. «І ми продемонстрували інші функції, такі як частотні гребінки та генерація суперконтинууму, оскільки платформа підтримує їх напряму. Ці можливості відіграють ключову роль у багатьох важливих програмах».
Дякую, нелінійна оптика
Для досягнення швидкості, якої потребують штучний інтелект (ШІ) і квантові додатки, перехід від електронів до фотонів має вирішальне значення-, а також лазери «будь-якої довжини хвилі» масштабу мікросхеми.
Коротке пояснення нового підходу команди: він починається зі стандартної кремнієвої пластини, покритої діоксидом кремнію (склом) і ніобатом літію, нелінійним матеріалом, який може змінювати колір світла, що проникає в нього. Додавання металу дає змогу ніобату літію електрично набирати-для перетворення одного кольору світла на інший. Подібні металеві-інтерфейси з ніобату літію можуть дозволити швидке вмикання/вимикання світла (подумайте про високо-швидкісну маршрутизацію та обробку даних).
Нанесення складних візерунків п’ятиокису танталу, відомого також як тантал, безпосередньо поверх інших фотонних схем дозволяє універсальним фотонним платформам працювати узгоджено. Тантала є міцним нелінійним матеріалом і добре підходить для роботи у видимому діапазоні довжин хвиль. «Важливо те, що він має привабливі властивості матеріалу (пов’язані з його виготовленням), які роблять його придатним для прямої інтеграції з іншими фотонними матеріалами», — говорить Броднік.
Коли дослідники нанесли матеріали один на одного в тривимірний стек, вони отримали єдиний чіп, який ефективно направляє світло між шарами. Цей чіп поєднує в собі здатність Tantala маніпулювати світлом з керованістю ніобату літію.
Нелінійна оптика — це тепер «не{0}}-таємний соус» у фізиці, який вони використовують, «щоб створити абсолютно нові кольори світла з одного кольору, який ми додаємо», — пояснює Броднік. «Якщо ви робите знімок за допомогою камери, ви не очікуєте, що кольори зображення змінюватимуться під час проходження крізь об’єктив. Але з нелінійними матеріалами з високою оптичною силою, що забезпечуються лазерами, це саме те, що відбувається. Це ключова техніка, яка живить настільні-масштабні лазери, які сьогодні створюють багато власних кольорів. Ми використовуємо ці методи-але з фотонними схемами в пристроях, менших за розмір рисового зерна».
Найкрутішим аспектом цієї роботи для Бродніка є те, що він бачить, як «нові, часто сліпучі кольори світла вискакують з наших пристроїв через перетворення вхідного світла (яке невидиме для наших очей)», — каже він. "У лабораторії, коли мікросхема стоїть на тестовій сцені, ми повільно встановлюємо робочі параметри, і яскравий синій-зелений починає світитися на чіпі. На наступному пристрої ми робимо його синьо-фіолетовим. Це трохи схоже на магію".
Їхня робота «закладає фундамент і демонструє потенціал платформи», — каже Броднік. «Ми, звичайно, працюватимемо над оптимізацією продуктивності існуючих дизайнів, але платформа відкриває нові функції та дизайнерські ручки, які ми з радістю досліджуємо».
Для багатьох програм, які включають взаємодію з атомними переходами-квантове зондування та обчислення-потрібне світло з довжинами хвиль, що охоплюють видимий і ближній-інфрачервоний діапазони. «Програми, які потребують швидкого маршрутизації та вмикання/вимикання світла, як-от оптична обробка даних і обчислення, також можуть отримати користь від платформи, використовуючи інші фізичні функції, які надають матеріали», — каже Броднік. «Техніка споживчих дисплеїв — це, мабуть, ще одне застосування. Є ще багато-таких, про які ми навіть не думали, які тепер можуть бути розглянуті та розроблені науковою спільнотою».
«Команда має «декілька захоплюючих фотонних архітектур, які зараз перебувають на стадії розробки, і для цього потрібен повний набір можливостей, які підтримує наша платформа», — каже Броднік. «Ми також раді співпрацювати з колегами та іншими дослідниками, які пропонують нам нові ідеї та програми, які ми, можливо, не розглядали або потребують спільного досвіду. Захоплюючі часи».
