Laserbølgelengder som kreves for mange av dagens mest spennende eksperimenter, spesielt innenfor det synlige området, er en utfordring å kilde for små fotoniske integrerte kretser (PIC). Men US National Institute of Standards and Technology (NIST) fotonikkforskere og kolleger ved Octave Photonics går i spissen for en løsning på dette bølgelengdetilgangsproblemet-og tar også opp utfordringer for å forene forskjellige fotoniske funksjoner for å støtte optisk svitsj, ruting og filtrering
En vanlig tilnærming i dag er å kombinere forskjellige fotonikkmaterialer for å forsøke å aktivere disse forskjellige funksjonene og utnytte styrker der de eksisterer, men intet enkelt materiale kan gjøre det i det hele tatt av skalaene som ønskes for nye applikasjoner.
"Vårt arbeid var inspirert av det høye målet om å oppnå "alle bølgelengdelasere", med direkte kompatibilitet med eksisterende fotoniske teknologier," sier Grant M. Brodnik, en fysiker i NISTs Quantum and Nonlinear Nanophotonics Group. "Og vi demonstrerte andre funksjoner som frekvenskammer og superkontinuumgenerering, fordi plattformen støtter dem direkte. Disse egenskapene spiller en nøkkelrolle i mange viktige applikasjoner."
Takk, ikke-lineær optikk
For å nå hastigheten som kunstig intelligens (AI) og kvanteapplikasjoner krever, er et skifte fra elektroner til fotoner avgjørende-og det samme er brikkeskala "hvilken bølgelengde" lasere som helst.
En kort forklaring på teamets nye tilnærming: Den begynner med en standard silisiumplate belagt med silisiumdioksid (glass) og litiumniobat, et ikke-lineært materiale som kan endre fargen på lyset som kommer inn i det. Ved å legge til metall kan litiumniobatet slås elektrisk inn- for å konvertere en lysfarge til andre. Lignende metall-litiumniobat-grensesnitt kan tillate rask på/av-bryting av lys (tenk høy-ruting og databehandling).
Ved å avsette komplekse mønstre av tantalpentoksid, også kjent som tantala, direkte oppå de andre fotoniske kretsene kan allsidige fotoniske plattformer fungere sammen. Tantala er et sterkt ikke-lineært materiale og er godt egnet for synlig bølgelengdeoperasjon. "Kritisk nok har den tiltalende materialegenskaper (relatert til fabrikasjonen) som gjør den mottagelig for direkte integrasjon med andre fotoniske materialer," sier Brodnik.
Da forskerne mønstret materialene oppå hverandre i en 3D-stabel, endte de opp med en enkelt brikke som effektivt dirigerer lys mellom lagene. Denne brikken kombinerer tantalas evne til å manipulere lys med litiumniobats kontrollerbarhet.
Ikke-lineær optikk er den nå «ikke-så-hemmelige sausen»-fysikken de utnytter «for å lage helt nye lysfarger ut av enkeltfargen vi legger inn», forklarer Brodnik. "Hvis du tar et bilde med et kamera, forventer du ikke at fargene på bildet skal endres når de passerer gjennom en linse. Men med ikke-lineære materialer med høy optisk kraft levert av lasere, er det nøyaktig hva som skjer. Det er en nøkkelteknikk som driver bordlasere i-skala som lager mange tilpassede farger i dag. Vi bruker disse teknikkene-men med kretsstørrelser av bilder."
Det kuleste aspektet av dette arbeidet for Brodnik er å se "nye, ofte blendende lysfarger dukker opp fra enhetene våre fra konvertering av inngangslyset (som er usynlig for øynene våre)," sier han. "I laboratoriet, med en brikke som sitter på en testscene, slår vi sakte inn driftsparametrene, og bom, levende blått-grønt begynner å gløde over brikken. På neste enhet gjør vi den blå-fiolett. Det føles litt som magi."
Arbeidet deres "legger grunnlaget og demonstrerer potensialet til plattformen," sier Brodnik. "Vi vil absolutt jobbe med å optimalisere ytelsen til eksisterende design, men plattformen låser opp ny funksjonalitet og designknapper vi er glade for å utforske."
Mange applikasjoner som involverer grensesnitt med atomoverganger-tror kvanteregistrering og databehandling-krever lys ved bølgelengder som spenner over det synlige og nære-infrarøde bølgebåndet. "Applikasjoner som trenger å raskt rute og slå lys på/av, som optisk databehandling og databehandling, kan også dra nytte av plattformen ved å utnytte andre fysikkfunksjoner materialene gir," sier Brodnik. "Forbrukerdisplayteknologi er kanskje en annen applikasjon. Det er mange flere-som vi ikke engang har tenkt på, som nå kan vurderes og utvikles av det vitenskapelige samfunnet."
Teamet har "en håndfull spennende fotoniske arkitekturer for tiden i designstadier, som krever en rekke funksjoner som plattformen vår støtter," sier Brodnik. "Vi er også glade for å samarbeide med kolleger og andre forskere som har gitt oss nye ideer og applikasjoner vi kanskje ikke har vurdert eller trenger delt ekspertise for å forfølge. Spennende tider."
