Microresonatoren met optische golfgeleiders, gemaakt door de groep van professor Won Park aan de Universiteit van Colorado Boulder, zetten de deur naar nieuwe on-chip-sensortechnologieën wijd open.
Deze kleine optische sensoren vangen licht op-chip en bouwen de intensiteit ervan-en hun hoge-Q factor en niet-lineariteit maken ze ideaal voor toepassingen zoals lasers met smalle-lijnbreedte via gestimuleerde Brillouin- en Raman-verstrooiing, het genereren van frequentiekammen of de verwerking van kwantuminformatie.
"We zijn geïnteresseerd in het onderzoeken van niet-lineaire optica met nieuwe materialen-in ons geval chalcogeniden, die bekend staan om hun lange golflengte-transparantie, hoge niet-lineariteit en een amorfe aard die integratiemogelijkheden hebben met andere materialen zoals lithiumniobaat en siliciumnitride", legt Park, hoogleraar elektrotechniek, uit.
Euler?
Het ontwerp van de optische golfgeleider-microresonator van de groep is gebaseerd op Euler "U"-bochten, waardoor licht ongeveer 3 nanoseconden in de microresonator kan blijven (tijdens de fotonlevensduur van 3-ns reist licht ongeveer een halve meter of bijna duizend retourvluchten). Dit vergroot de padlengte van de apparaten en maakt niet-lineaire optische interacties mogelijk. Het geeft de onderzoekers in wezen controle over het buigverlies dat inherent is aan microresonatoren en maakt apparaten met ultralaag-verlies mogelijk, vergelijkbaar met andere ultramoderne- materiaalplatforms.
Simulaties waren van cruciaal belang om vast te stellen waarom traditionele resonatoren zoveel licht verliezen. "We hebben COMSOL Multiphysics gebruikt om modusveldverdelingen te berekenen en overlappende integralen uit te voeren", zegt Park. "Hierdoor konden we een 'sweet spot' aanwijzen op de kruising waar de rechte en gebogen golfgeleiders samenkomen. We hebben ook FDTD-simulaties gebruikt om te modelleren hoe licht zich door de Euler-curven voortplant, om ervoor te zorgen dat we de excitatie in hogere- ordemodus konden onderdrukken, waar deze apparaten met kleine- kleine voetafdruk doorgaans last van hebben."
De groep ontwierp de structuren voor een ander experiment en was zeer verrast toen ze hoge-Q factoren die ze sindsdien hebben herhaald in twee verschillende cleanrooms.
"Ons 'aha'-moment was het besef dat we door het gebruik van Euler-curven-waarbij de kromming lineair verandert-we het licht in wezen konden 'misleiden' zodat het in de fundamentele modus bleef ondanks zeer krappe bochten", zegt Park. "Het was ongelooflijk de moeite waard om te zien dat onze experimentele resultaten overeenkomen met de theoretische intrinsieke kwaliteitsfactor van 4,55 x 106. Het bereiken van het hoogste niet-lineaire cijfer van verdienste dat is gerapporteerd voor chalcogenide PIC's is de kers op de taart."
Lithografische uitdaging
Om dat te bereiken moest de groep eerst een elektronenbundellithografisch patroonproces voor hun materiaal ontwikkelen, omdat traditionele lithografie die gebruik maakt van fotonen wordt beperkt door de golflengte van licht.
Belangrijkste hindernis? Materiaalgevoeligheid. "Chalcogeniden kunnen last hebben van oppervlakte-oxidatie en onzuiverheden-gerelateerde absorptie", zegt Park. "In een poging onder leiding van twee afgestudeerde studenten, Bright Lu en James Erikson, hebben we dit overwonnen door een vacuümgloeiproces bij 250 graden te gebruiken om de materiaalhomogeniteit te verbeteren en de oppervlakteruwheid te verminderen. We moesten ook ons boortrichloride (BCl) nauwkeurig kalibreren3) en argon (Ar)-gasmengsel tijdens het inductief gekoppelde plasma-reactieve ionenetsen (ICP RIE) om gladde zijwanden te garanderen, wat essentieel is voor het handhaven van 'ultrahoge'-Q' prestatie."
'Zwitsers zakmes' voor PIC's
Deze resonatoren lijken op "een Zwitsers zakmes voor PIC's", zegt Park. "Vanwege de hoge-Qfactor en niet-lineariteit zijn ze perfect voor een breed scala aan toepassingen, zoals lasers met smalle-lijnbreedte via gestimuleerde Brillouin- en Raman-verstrooiing, frequentiekamgeneratie voor metrologie en telecommunicatie, of kwantuminformatieverwerking waarbij lage- verliezen op-chipcomponenten niet onderhandelbaar zijn.'
Nu de groep van Park de lage- verliesmogelijkheden van het platform (0,43 dB/m absorptieverlies) heeft bewezen, kijken ze naar de ultieme verlieslimiet. "We breiden de golfgeleiders ook verder uit om te evolueren naar 'materiaal-beperkte' prestaties, wat mogelijk onzeQ-factoren nog hoger en maken nog efficiëntere niet-lineaire interacties mogelijk", zegt hij.
VERDER LEZEN
