Τα μήκη κύματος λέιζερ που απαιτούνται για πολλά από τα πιο ενδιαφέροντα πειράματα του σήμερα, ιδιαίτερα εντός του ορατού εύρους, αποτελούν πρόκληση για την πηγή μικροσκοπικών φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (PIC). Ωστόσο, οι ερευνητές φωτονικής του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ και οι συνάδελφοι της Octave Photonics πρωτοστατούν σε μια λύση σε αυτό το ζήτημα πρόσβασης μήκους κύματος-και επίσης αντιμετωπίζουν προκλήσεις για την ένωση διαφορετικών φωτονικών συναρτήσεων για την υποστήριξη οπτικής μεταγωγής, δρομολόγησης και φιλτραρίσματος
Μια κοινή προσέγγιση σήμερα είναι ο συνδυασμός διαφορετικών φωτονικών υλικών για να προσπαθήσουμε να ενεργοποιήσουμε αυτές τις διαφορετικές λειτουργίες και ισχύ μόχλευσης όπου υπάρχουν, αλλά κανένα υλικό δεν μπορεί να το κάνει σε όλες τις κλίμακες που επιθυμούμε για την εφαρμογή νέων εφαρμογών.
«Η δουλειά μας εμπνεύστηκε από τον υψηλό στόχο της επίτευξης «λέιζερ οποιουδήποτε μήκους κύματος», με άμεση συμβατότητα με τις υπάρχουσες φωτονικές τεχνολογίες», λέει ο Grant M. Brodnik, φυσικός στην ομάδα Quantum and Nonlinear Nanophotonics του NIST. "Και επιδείξαμε άλλες λειτουργίες όπως χτένες συχνότητας και δημιουργία υπερσυνεχούς, επειδή η πλατφόρμα τις υποστηρίζει άμεσα. Αυτές οι δυνατότητες παίζουν βασικό ρόλο σε πολλές σημαντικές εφαρμογές."
Ευχαριστώ, μη γραμμική οπτική
Για να επιτευχθεί η ταχύτητα που απαιτούν η τεχνητή νοημοσύνη (AI) και οι κβαντικές εφαρμογές, μια μετατόπιση από ηλεκτρόνια σε φωτόνια είναι κρίσιμη-και το ίδιο είναι και τα λέιζερ "οποιουδήποτε μήκους κύματος" κλίμακας chip.
Μια σύντομη εξήγηση της νέας προσέγγισης της ομάδας: Ξεκινά με μια τυπική γκοφρέτα πυριτίου επικαλυμμένη με διοξείδιο του πυριτίου (γυαλί) και νιοβικό λίθιο, ένα μη γραμμικό υλικό που μπορεί να αλλάξει το χρώμα του φωτός που εισέρχεται σε αυτό. Η προσθήκη μετάλλου επιτρέπει στο νιοβικό λίθιο να καλείται ηλεκτρικά-για τη μετατροπή ενός χρώματος φωτός σε άλλα. Παρόμοιες διεπαφές μετάλλου-νιοβάτη λιθίου μπορούν να επιτρέψουν την ταχεία ενεργοποίηση/απενεργοποίηση του φωτός (σκεφτείτε τη δρομολόγηση και την επεξεργασία δεδομένων υψηλής-ταχύτητας).
Η εναπόθεση σύνθετων μοτίβων πεντοξειδίου του τανταλίου, γνωστός και ως tantala, ακριβώς πάνω από το άλλο φωτονικό κύκλωμα επιτρέπει σε ευέλικτες φωτονικές πλατφόρμες να λειτουργούν συντονισμένα. Το Tantala είναι ένα ισχυρό μη γραμμικό υλικό και είναι κατάλληλο για λειτουργία ορατού μήκους κύματος. «Κρίσιμα, έχει ελκυστικές ιδιότητες υλικού (που σχετίζονται με την κατασκευή του) που το καθιστούν επιδεκτικό άμεσης ενσωμάτωσης με άλλα φωτονικά υλικά», λέει ο Brodnik.
Όταν οι ερευνητές σχεδίασαν τα υλικά το ένα πάνω στο άλλο σε μια τρισδιάστατη στοίβα, κατέληξαν σε ένα μόνο τσιπ που διοχετεύει αποτελεσματικά το φως μεταξύ των στρωμάτων. Αυτό το τσιπ συνδυάζει τις ικανότητες χειρισμού του φωτός του tantala με την ικανότητα ελέγχου του νιοβικού λιθίου.
Η μη γραμμική οπτική είναι η πλέον "όχι{0}}όχι-μυστική σάλτσα" φυσική που χρησιμοποιούν "για να δημιουργήσουν εντελώς νέα χρώματα φωτός από το μόνο χρώμα που βάζουμε", εξηγεί ο Brodnik. "Αν τραβήξετε μια φωτογραφία με κάμερα, δεν περιμένετε να αλλάξουν τα χρώματα της εικόνας όταν περνάτε μέσα από έναν φακό. Αλλά με μη γραμμικά υλικά με υψηλή οπτική ισχύ που παρέχονται από λέιζερ, συμβαίνει ακριβώς αυτό. Είναι μια βασική τεχνική που τροφοδοτεί επιτραπέζια{5}κλιμακωτά λέιζερ που παράγουν πολλά προσαρμοσμένα χρώματα σήμερα. Χρησιμοποιούμε αυτές τις τεχνικές σε συσκευές με μικρότερο μέγεθος από το κύκλωμα."
Η πιο όμορφη πτυχή αυτής της δουλειάς για τον Μπρόντνικ είναι να βλέπει "νέα, συχνά εκθαμβωτικά χρώματα φωτός να αναδύονται από τις συσκευές μας από τη μετατροπή του φωτός εισόδου (το οποίο είναι αόρατο στα μάτια μας)", λέει. "Στο εργαστήριο, με ένα τσιπ που κάθεται σε μια δοκιμαστική σκηνή, πληκτρολογούμε αργά τις παραμέτρους λειτουργίας και, το έντονο μπλε-πράσινο αρχίζει να λάμπει στο τσιπ. Στην επόμενη συσκευή, το κάνουμε μπλε-βιολετί. Αισθάνεται λίγο σαν μαγικό."
Το έργο τους «βάζει τα θεμέλια και καταδεικνύει τις δυνατότητες της πλατφόρμας», λέει ο Brodnik. "Σίγουρα θα εργαστούμε για να βελτιστοποιήσουμε την απόδοση των υπαρχόντων σχεδίων, αλλά η πλατφόρμα ξεκλειδώνει νέες λειτουργίες και πόμολα σχεδιασμού που είμαστε ενθουσιασμένοι να εξερευνήσουμε."
Πολλές εφαρμογές που περιλαμβάνουν διασύνδεση με ατομικές μεταβάσεις-νομίζουν ότι η κβαντική ανίχνευση και ο υπολογισμός-απαιτούν φως σε μήκη κύματος που εκτείνονται στις ορατές και κοντινές-ζώνες κυμάτων υπερύθρων. «Οι εφαρμογές που χρειάζονται γρήγορη δρομολόγηση και ενεργοποίηση/απενεργοποίηση του φωτός, όπως η οπτική επεξεργασία δεδομένων και ο υπολογισμός, μπορούν επίσης να επωφεληθούν από την πλατφόρμα αξιοποιώντας άλλες λειτουργίες φυσικής που παρέχουν τα υλικά», λέει ο Brodnik. "Η τεχνολογία προβολής καταναλωτών είναι ίσως μια άλλη εφαρμογή. Υπάρχουν πολλές άλλες-σίγουρα που δεν έχουμε καν σκεφτεί, οι οποίες μπορούν τώρα να εξεταστούν και να αναπτυχθούν από την επιστημονική κοινότητα."
Η ομάδα έχει "μια χούφτα συναρπαστικές φωτονικές αρχιτεκτονικές που βρίσκονται επί του παρόντος σε στάδια σχεδιασμού, οι οποίες απαιτούν μια πλήρη σειρά δυνατοτήτων που υποστηρίζει η πλατφόρμα μας", λέει ο Brodnik. "Είμαστε επίσης ενθουσιασμένοι που συνεργαζόμαστε με συναδέλφους και άλλους ερευνητές που μας φέρνουν νέες ιδέες και εφαρμογές που ίσως δεν έχουμε σκεφτεί ή δεν χρειαζόμαστε κοινή τεχνογνωσία για να επιδιώξουμε. Συναρπαστικές στιγμές."
