Το TPA-QCN αποτίθεται μέσω εξάτμισης υπό κενό για να σχηματίσει ένα στρώμα μορίων που υιοθετούν αυθόρμητα έναν προτιμώμενο προσανατολισμό. Αυτή η ευθυγράμμιση του παρέχει μια οπτική μη γραμμική απόκριση δεύτερης-τάξης, που σημαίνει ότι οι δέσμες φωτός μπορούν να αλληλεπιδράσουν κατά τη διέλευση από αυτήν.
«Εμπνευστήκαμε από την όμορφη δουλειά που γίνεται σε ένα εντελώς διαφορετικό πεδίο-διόδους εκπομπής οργανικού φωτός-για οθόνες (OLED)», λέει ο Kéna-Cohen, καθηγητής μηχανικής φυσικής, καθώς και η Ερευνητική Έδρα του Καναδά στη Φωτονική της ύλης{{3}. "Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι ορισμένες κατηγορίες μορίων ευθυγραμμίζονται αυτόματα κατά την κατασκευή. Στην περίπτωσή τους, αυτό οδηγεί στη συσσώρευση τάσης που συνήθως βλάπτει την απόδοση της συσκευής. Αυτή η συσσώρευση τάσης, η οποία απαιτεί τα πολικά μόρια να προσανατολίζονται σε μια προτιμησιακή κατεύθυνση, ήταν το πρώτο σημάδι ότι πρέπει να μπορούμε να χρησιμοποιούμε παρόμοια υλικά για μη γραμμικά οπτικά."
Μπροστά-μη γραμμικές φωτονικές συσκευές δεύτερης τάξης
Το πυρίτιο είναι η κυρίαρχη πλατφόρμα για την ολοκληρωμένη φωτονική σήμερα, αλλά δεν είναι καλό για την κατασκευή διαμορφωτών και ενισχυτών. "Ένα από τα συστατικά του πυριτίου λείπει για να γίνουν καλοί διαμορφωτές είναι το φαινόμενο Pockels, το οποίο επιτρέπει σε ένα άμεσο{1}}ηλεκτρικό πεδίο να αλληλεπιδρά με ένα ηλεκτρικό πεδίο σε οπτικές συχνότητες-και είναι ένα καλό παράδειγμα μη γραμμικού οπτικού εφέ δεύτερης-τάξης", εξηγεί ο Kéna-Cohen. "Οι παραμετρικοί ενισχυτές και ταλαντωτές βασίζονται σε μη γραμμικότητες δεύτερης-τάξης. Για αυτούς τους τύπους εφέ, οι μηχανικοί πρέπει να χρησιμοποιήσουν άλλα υλικά όπως το νιοβικό λίθιο είτε ως αυτόνομα εξαρτήματα είτε να περάσουν από την περίπλοκη διαδικασία ενσωμάτωσης των δύο."
Μια άλλη ιδέα που εμπλέκεται στο σχεδιασμό μη γραμμικών φωτονικών στοιχείων δεύτερης τάξης-είναι η απαίτηση αντιστοίχισης φάσης-η ταχύτητα φάσης των κυμάτων φωτός που αλληλεπιδρούν πρέπει να ταιριάζει για να αποφευχθούν καταστροφικά φαινόμενα παρεμβολής. "Δυστυχώς, το γεγονός ότι όλα τα υλικά έχουν διασπορά το αποτρέπει αυτόματα, επομένως πρέπει να χρησιμοποιηθούν έξυπνα κόλπα για την αντιστοίχιση φάσης. Στο νιοβικό λίθιο, μια κοινή προσέγγιση είναι η χρήση ηλεκτροδίων κατά μήκος της κατεύθυνσης διάδοσης για την ανατροπή του προσανατολισμού τομέα-γνωστή και ως πόλωση ηλεκτρικού πεδίου."
Πλεονεκτήματα: Κατατίθεται απευθείας σε-τσιπ, διπλή διάθλαση
Η προσέγγιση της ομάδας φέρνει δύο βασικά πλεονεκτήματα. "Πρώτον, οι οργανικές λεπτές μεμβράνες μας μπορούν να εναποτεθούν απευθείας σε οποιοδήποτε τσιπ χρησιμοποιώντας τυπικές διαδικασίες ξηρής κατασκευής-χωρίς να ανησυχείτε για το ταίριασμα ή τη μεταφορά πλέγματος", λέει ο Kéna-Cohen.
Δεύτερον, τα φιλμ τους δείχνουν μια εξαιρετικά ισχυρή διπλή διάθλαση σε σύγκριση με τα περισσότερα κοινά φωτονικά υλικά. «Αυτή η διπλή διάθλαση είναι τόσο ισχυρή που μας επιτρέπει να αντιστοιχίσουμε φάση «δωρεάν» εάν χρησιμοποιούμε αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών πολωμένων τρόπων λειτουργίας, επειδή οι διαφορετικές πολώσεις θα δουν διαφορετικούς δείκτες διάθλασης», λέει. «Σημαίνει ότι μπορούμε να κατασκευάσουμε πολύ αποδοτικές συσκευές, χωρίς να χρειαζόμαστε ηλεκτρόδια για πόλωση ή να χρειάζεται να χρησιμοποιούμε πιο περίπλοκες αρχιτεκτονικές».
Χρησιμοποίησαν την προσέγγισή τους για να επιδείξουν το απλούστερο παράδειγμα μιας μη γραμμικής διαδικασίας δεύτερης-τάξης: Δεύτερη-παραγωγή αρμονικών, γνωστή και ως διπλασιασμός συχνότητας. Για να το κάνουν, οι ερευνητές κατασκεύασαν έναν κυματοδηγό που μετατρέπει το φως των τηλεπικοινωνιών συνεχούς-κυμάτων σε ορατό φως (βλ. εικόνα παρακάτω).
Μια άλλη ιδέα που εμπλέκεται στο σχεδιασμό μη γραμμικών φωτονικών στοιχείων δεύτερης τάξης-είναι η απαίτηση αντιστοίχισης φάσης-η ταχύτητα φάσης των κυμάτων φωτός που αλληλεπιδρούν πρέπει να ταιριάζει για να αποφευχθούν καταστροφικά φαινόμενα παρεμβολής. "Δυστυχώς, το γεγονός ότι όλα τα υλικά έχουν διασπορά το αποτρέπει αυτόματα, επομένως πρέπει να χρησιμοποιηθούν έξυπνα κόλπα για την αντιστοίχιση φάσης. Στο νιοβικό λίθιο, μια κοινή προσέγγιση είναι η χρήση ηλεκτροδίων κατά μήκος της κατεύθυνσης διάδοσης για την ανατροπή του προσανατολισμού τομέα-γνωστή και ως πόλωση ηλεκτρικού πεδίου."
Πλεονεκτήματα: Κατατίθεται απευθείας σε-τσιπ, διπλή διάθλαση
Η προσέγγιση της ομάδας φέρνει δύο βασικά πλεονεκτήματα. "Πρώτον, οι οργανικές λεπτές μεμβράνες μας μπορούν να εναποτεθούν απευθείας σε οποιοδήποτε τσιπ χρησιμοποιώντας τυπικές διαδικασίες ξηρής κατασκευής-χωρίς να ανησυχείτε για το ταίριασμα ή τη μεταφορά πλέγματος", λέει ο Kéna-Cohen.
Δεύτερον, τα φιλμ τους δείχνουν μια εξαιρετικά ισχυρή διπλή διάθλαση σε σύγκριση με τα περισσότερα κοινά φωτονικά υλικά. «Αυτή η διπλή διάθλαση είναι τόσο ισχυρή που μας επιτρέπει να αντιστοιχίσουμε φάση «δωρεάν» εάν χρησιμοποιούμε αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών πολωμένων τρόπων λειτουργίας, επειδή οι διαφορετικές πολώσεις θα δουν διαφορετικούς δείκτες διάθλασης», λέει. «Σημαίνει ότι μπορούμε να κατασκευάσουμε πολύ αποδοτικές συσκευές, χωρίς να χρειαζόμαστε ηλεκτρόδια για πόλωση ή να χρειάζεται να χρησιμοποιούμε πιο περίπλοκες αρχιτεκτονικές».
Χρησιμοποίησαν την προσέγγισή τους για να επιδείξουν το απλούστερο παράδειγμα μιας μη γραμμικής διαδικασίας δεύτερης-τάξης: Δεύτερη-παραγωγή αρμονικών, γνωστή και ως διπλασιασμός συχνότητας. Για να το κάνουν, οι ερευνητές κατασκεύασαν έναν κυματοδηγό που μετατρέπει το φως των τηλεπικοινωνιών συνεχούς-κυμάτων σε ορατό φως (βλ. εικόνα παρακάτω).
