Lasergolflengten die nodig zijn voor veel van de meest intrigerende experimenten van vandaag, vooral binnen het zichtbare bereik, vormen een uitdaging om te vinden voor kleine fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's). Maar fotonica-onderzoekers en collega's van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) bij Octave Photonics lopen voorop in een oplossing voor dit probleem met golflengtetoegang-en gaan ook uitdagingen aan om verschillende fotonische functies te verenigen ter ondersteuning van optisch schakelen, routeren en filteren
Een veel voorkomende benadering vandaag de dag is het combineren van verschillende fotonische materialen om te proberen deze verschillende functies mogelijk te maken en de sterke punten te benutten waar die bestaan, maar geen enkel materiaal kan dit op alle gewenste schaalniveaus voor nieuwe toepassingen.
"Ons werk is geïnspireerd door het verheven doel om 'lasers met elke golflengte' te bereiken, met directe compatibiliteit met bestaande fotonische technologieën", zegt Grant M. Brodnik, een natuurkundige in de Quantum and Nonlinear Nanophotonics Group van NIST. "En we hebben andere functionaliteiten gedemonstreerd, zoals frequentiekammen en het genereren van supercontinuüm, omdat het platform deze rechtstreeks ondersteunt. Deze mogelijkheden spelen een sleutelrol in veel belangrijke toepassingen."
Bedankt, niet-lineaire optica
Om de snelheid te bereiken die kunstmatige intelligentie (AI) en kwantumtoepassingen vereisen, is een verschuiving van elektronen naar fotonen van cruciaal belang- en dat geldt ook voor lasers op chipschaal met "elke golflengte".
Een korte uitleg van de nieuwe aanpak van het team: het begint met een standaard siliciumwafel bedekt met siliciumdioxide (glas) en lithiumniobaat, een niet-lineair materiaal dat de kleur van het binnenkomende licht kan veranderen. Door metaal toe te voegen, kan het lithiumniobaat elektrisch worden-ingeschakeld om de ene lichtkleur in de andere om te zetten. Soortgelijke metaal-lithiumniobaatinterfaces kunnen het snel aan/uit schakelen van licht mogelijk maken (denk aan hoge-routering en gegevensverwerking).
Door complexe patronen van tantaalpentoxide, oftewel tantala, direct bovenop de andere fotonische circuits af te zetten, kunnen veelzijdige fotonische platforms samenwerken. Tantala is een sterk niet-lineair materiaal en is zeer geschikt voor werking op zichtbare golflengten. "Van cruciaal belang is dat het aantrekkelijke materiaaleigenschappen heeft (gerelateerd aan de fabricage ervan) die het vatbaar maken voor directe integratie met andere fotonische materialen", zegt Brodnik.
Toen de onderzoekers de materialen op elkaar in een 3D-stapel vormden, kregen ze één enkele chip die licht efficiënt tussen de lagen doorstuurt. Deze chip combineert de lichtmanipulatiecapaciteiten van tantala met de beheersbaarheid van lithiumniobaat.
Niet-lineaire optica is de nu 'niet{0}}zo-geheime saus'-fysica die ze gebruiken 'om geheel nieuwe kleuren licht te maken uit de enkele kleur die we erin stoppen', legt Brodnik uit. "Als je een foto maakt met een camera, verwacht je niet dat de kleuren van het beeld veranderen als het door een lens gaat. Maar met niet-lineaire materialen met een hoog optisch vermogen, geleverd door lasers, is dat precies wat er gebeurt. Het is een sleuteltechniek die tafelblad-schaallasers aandrijft die tegenwoordig veel aangepaste kleuren maken. We gebruiken deze technieken-maar met fotonische circuits in apparaten die kleiner zijn dan de grootte van een rijstkorrel."
Het coolste aspect van dit werk voor Brodnik is dat hij "nieuwe, vaak oogverblindende kleuren licht uit onze apparaten ziet springen door het omzetten van het binnenkomende licht (dat onzichtbaar is voor onze ogen)", zegt hij. "In het laboratorium, met een chip op een testplatform, voeren we langzaam de werkingsparameters in en boem, levendig blauw-groen begint over de chip te gloeien. Op het volgende apparaat maken we hem blauw-violet. Het voelt een beetje als magie."
Hun werk "legt de basis en demonstreert het potentieel van het platform", zegt Brodnik. "We zullen zeker werken aan het optimaliseren van de prestaties van bestaande ontwerpen, maar het platform ontgrendelt nieuwe functionaliteit en ontwerpknoppen die we graag willen verkennen."
Veel toepassingen waarbij interactie met atomaire transities betrokken is,-denk aan kwantumdetectie en computergebruik-vereisen licht op golflengten die de zichtbare en nabij-infrarode golfbanden omspannen. "Toepassingen die licht snel moeten routeren en aan/uit moeten schakelen, zoals optische gegevensverwerking en computergebruik, kunnen ook profiteren van het platform door gebruik te maken van andere natuurkundige functionaliteiten die de materialen bieden", zegt Brodnik. "Consumentendisplaytechnologie is misschien een andere toepassing. Er zijn er nog veel meer-zeker die we nog niet eens hebben bedacht, die nu door de wetenschappelijke gemeenschap kunnen worden overwogen en ontwikkeld."
Het team beschikt over "een handvol opwindende fotonische architecturen die zich momenteel in de ontwerpfase bevinden en die een groot aantal mogelijkheden vereisen die ons platform ondersteunt", zegt Brodnik. "We zijn ook verheugd om samen te werken met collega's en andere onderzoekers die ons nieuwe ideeën en toepassingen hebben aangedragen waar we misschien nog niet aan hebben gedacht of waar we gedeelde expertise voor nodig hebben. Spannende tijden."
