Οι μικροσυντονιστές οπτικών κυματοδηγών που δημιουργήθηκαν από την ομάδα του καθηγητή Won Park στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Boulder ανοίγουν την πόρτα σε νέες τεχνολογίες αισθητήρων τσιπ-.
Αυτοί οι μικροσκοπικοί οπτικοί αισθητήρες παγιδεύουν το φως στο-τσιπάκι και αυξάνουν την έντασή του-και την υψηλή τους-Q ο παράγοντας και η μη γραμμικότητα τα καθιστούν ιδανικά για εφαρμογές όπως λέιζερ στενού-πλάτους γραμμής μέσω διεγερμένης σκέδασης Brillouin και Raman, δημιουργίας χτένας συχνότητας ή κβαντικής επεξεργασίας πληροφοριών.
«Μας ενδιαφέρει να εξερευνήσουμε τη μη γραμμική οπτική με νέα υλικά-στην περίπτωσή μας, τα χαλκογονίδια, τα οποία είναι γνωστά για τη διαφάνεια μεγάλου μήκους κύματος, την υψηλή μη γραμμικότητα και την άμορφη φύση τους που έχουν δυνατότητες ενσωμάτωσης με άλλα υλικά όπως το νιοβικό λίθιο και το νιτρίδιο του πυριτίου», εξηγεί ο Parker, καθηγητής ηλεκτρικών μηχανών.
Euler;
Ο σχεδιασμός του μικροσυντονιστή οπτικού κυματοδηγού της ομάδας βασίζεται σε κάμψεις Euler "U", οι οποίες επιτρέπουν στο φως να παραμείνει μέσα στον μικροσυντονιστή για περίπου 3 νανοδευτερόλεπτα (κατά τη διάρκεια ζωής των φωτονίων 3-ns, το φως ταξιδεύει περίπου μισό μέτρο ή σχεδόν χίλιες διαδρομές μετ' επιστροφής). Αυτό αυξάνει το μήκος διαδρομής των συσκευών και επιτρέπει μη γραμμικές οπτικές αλληλεπιδράσεις. Ουσιαστικά δίνει στους ερευνητές τον έλεγχο της απώλειας κάμψης που είναι εγγενής στους μικροσυντονιστές και επιτρέπει συσκευές εξαιρετικά χαμηλών-απωλειών παρόμοιες με άλλες πλατφόρμες-αιχμής-σύγχρονων υλικών.
Οι προσομοιώσεις ήταν κρίσιμες για να εντοπιστεί γιατί οι παραδοσιακοί συντονιστές χάνουν τόσο πολύ φως. "Χρησιμοποιήσαμε το COMSOL Multiphysics για να υπολογίσουμε τις κατανομές πεδίων τρόπου λειτουργίας και να εκτελέσουμε ολοκληρώματα επικάλυψης", λέει ο Park. "Αυτό μας επέτρεψε να εντοπίσουμε ένα "γλυκό σημείο" στη διασταύρωση όπου συναντώνται οι ίσιοι και οι καμπύλοι κυματοδηγοί. Χρησιμοποιήσαμε επίσης προσομοιώσεις FDTD για να μοντελοποιήσουμε πώς διαδίδεται το φως στις καμπύλες Euler για να διασφαλίσουμε ότι μπορούσαμε να καταστείλουμε διέγερση υψηλότερης-λειτουργίας τάξης που συνήθως μαστίζει αυτές τις μικρές{{4} συσκευές αποτυπώματος."
Η ομάδα ουσιαστικά σχεδίασε τις δομές για ένα άλλο πείραμα και εξεπλάγην όταν ανακάλυψαν υψηλή-Q παράγοντες που έκτοτε επαναλαμβάνονται σε δύο διαφορετικές αίθουσες καθαριότητας.
"Η στιγμή "αχα" μας ήταν να συνειδητοποιήσουμε ότι χρησιμοποιώντας τις καμπύλες Euler-όπου η καμπυλότητα αλλάζει γραμμικά-θα μπορούσαμε ουσιαστικά να "ξεγελάσουμε" το φως για να παραμείνει στη βασική λειτουργία παρά τις πολύ σφιχτές στροφές", λέει ο Park. «Ήταν απίστευτα ικανοποιητικό να βλέπουμε τα πειραματικά μας αποτελέσματα να ταιριάζουν με τον θεωρητικό εγγενή παράγοντα ποιότητας 4,55 × 106. Η επίτευξη του υψηλότερου μη γραμμικού αριθμού αξίας που αναφέρθηκε για τα PIC χαλκογονιδίου είναι το κεράσι στην κορυφή."
Πρόκληση λιθογραφίας
Για να φτάσει εκεί, η ομάδα έπρεπε πρώτα να αναπτύξει μια διαδικασία λιθογραφικής διαμόρφωσης δέσμης ηλεκτρονίων για το υλικό τους, επειδή η παραδοσιακή λιθογραφία που χρησιμοποιεί φωτόνια περιορίζεται από το μήκος κύματος του φωτός.
Εμπλέκεται το κύριο εμπόδιο; Ευαισθησία υλικού. "Τα χαλκογονίδια μπορεί να υποφέρουν από επιφανειακή οξείδωση και απορρόφηση που σχετίζεται με-ακαθαρσίες", λέει ο Park. "Σε μια προσπάθεια με επικεφαλής δύο μεταπτυχιακούς φοιτητές, τους Bright Lu και James Erikson, το ξεπεράσαμε χρησιμοποιώντας μια διαδικασία ανόπτησης υπό κενό στους 250 βαθμούς για να βελτιώσουμε την ομοιογένεια του υλικού και να μειώσουμε την τραχύτητα της επιφάνειας. Χρειαζόμασταν επίσης να βαθμονομήσουμε με ακρίβεια το τριχλωριούχο βόριο μας (BCl3) και μίγμα αερίου αργού (Ar) κατά την επαγωγικά συζευγμένη χάραξη αντιδραστικών ιόντων πλάσματος (ICP RIE) για τη διασφάλιση λείων πλευρικών τοιχωμάτων, το οποίο είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση «υπερυψηλών»-Q"απόδοση."
«Ελβετικό μαχαίρι» για PIC
Αυτά τα αντηχεία είναι παρόμοια με "ένα ελβετικό μαχαίρι για PIC", λέει ο Park. "Λόγω του υψηλού-Qπαράγοντα και μη γραμμικότητα, είναι ιδανικά για μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών, όπως λέιζερ στενού-πλάτους γραμμής μέσω διεγερμένης σκέδασης Brillouin και Raman, δημιουργία χτενίσματος συχνότητας για μετρολογία και τηλεπικοινωνίες ή κβαντική επεξεργασία πληροφοριών όπου τα στοιχεία τσιπ χαμηλής-απώλειας-δεν διαπραγματεύονται."
Τώρα που η ομάδα του Park έχει αποδείξει τις δυνατότητες χαμηλών-απωλειών της πλατφόρμας (απώλεια απορρόφησης 0,43 dB/m), κοιτάζει το απόλυτο όριο απώλειας. «Επίσης, διευρύνουμε περαιτέρω τους κυματοδηγούς για να προχωρήσουμε προς «υλική-περιορισμένη» απόδοση, η οποία θα μπορούσε ενδεχομένως να ωθήσειQ-παράγοντες ακόμη υψηλότεροι και επιτρέπουν ακόμη πιο αποτελεσματικές μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις», λέει.
ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΔΙΑΒΑΣΗ
