Длины волн лазера, необходимые для многих из самых интригующих экспериментов сегодняшнего дня, особенно в видимом диапазоне, представляют собой проблему для создания крошечных фотонных интегральных схем (PIC). Но исследователи фотоники Национального института стандартов и технологий США (NIST) и их коллеги из Octave Photonics возглавляют решение этой проблемы доступа к длине волны-, а также решают проблемы объединения различных фотонных функций для поддержки оптического переключения, маршрутизации и фильтрации.
Сегодня одним из распространенных подходов является объединение различных фотонных материалов, чтобы попытаться реализовать эти различные функции и использовать сильные стороны там, где они существуют, но ни один материал не может сделать это во всех масштабах, необходимых для поиска новых приложений.
«Наша работа была вдохновлена благородной целью создания «лазеров любой длины волны» с прямой совместимостью с существующими фотонными технологиями», — говорит Грант М. Бродник, физик из группы квантовой и нелинейной нанофотоники NIST. «И мы продемонстрировали другие функции, такие как гребенка частот и генерация суперконтинуума, потому что платформа поддерживает их напрямую. Эти возможности играют ключевую роль во многих важных приложениях».
Спасибо, нелинейная оптика
Чтобы достичь той скорости, которую требует искусственный интеллект (ИИ) и квантовые приложения, критически важен переход от электронов к фотонам-, как и лазеры "любой длины волны" в масштабе кристалла.
Краткое объяснение нового подхода команды: он начинается со стандартной кремниевой пластины, покрытой диоксидом кремния (стеклом) и ниобатом лития, нелинейным материалом, который может изменять цвет попадающего на него света. Добавление металла позволяет электрически настраивать ниобат лития-для преобразования одного цвета света в другие. Подобные интерфейсы из металлического-ниобата лития позволяют быстро включать и выключать освещение (вспомните о высокой-скоростной маршрутизации и обработке данных).
Нанесение сложных структур пентоксида тантала, также известного как тантала, непосредственно поверх других фотонных схем позволяет универсальным фотонным платформам работать согласованно. Тантала — прочный нелинейный материал, хорошо подходящий для работы в видимом диапазоне волн. «Что особенно важно, он имеет привлекательные свойства материала (связанные с его изготовлением), которые делают его пригодным для прямой интеграции с другими фотонными материалами», — говорит Бродник.
Когда исследователи разместили материалы друг на друге в 3D-стеке, в итоге у них получился один чип, который эффективно направляет свет между слоями. Этот чип сочетает в себе возможности манипулирования светом танталы с управляемостью ниобата лития.
Нелинейная оптика — это теперь «не-такой-секретный соус» физики, который они используют, «чтобы создать совершенно новые цвета света из одного цвета, который мы добавили», — объясняет Бродник. «Если вы делаете снимок камерой, вы не ожидаете, что цвета изображения изменятся при прохождении через объектив. Но с нелинейными материалами с высокой оптической мощностью, обеспечиваемыми лазерами, именно это и происходит. Это ключевой метод, используемый в настольных-лазерах, которые сегодня создают множество нестандартных цветов. Мы используем эти методы-, но с фотонными схемами внутри устройств размером меньше рисового зернышка».
Самым крутым аспектом этой работы для Бродника является то, что «новые, часто ослепительные цвета света появляются на наших устройствах в результате преобразования входного света (который невидим для наших глаз)», — говорит он. «В лаборатории, когда чип находится на этапе тестирования, мы медленно набираем рабочие параметры, и, бац, яркий синий-зеленый цвет начинает светиться на чипе. На следующем устройстве мы делаем его сине-фиолетовым. Это немного похоже на волшебство».
Их работа «закладывает основу и демонстрирует потенциал платформы», — говорит Бродник. «Мы, конечно, будем работать над оптимизацией производительности существующих проектов, но платформа открывает новые функциональные возможности и возможности дизайна, которые мы с нетерпением ждем».
Многие приложения, связанные с взаимодействием с атомными переходами,-думают, что квантовое зондирование и вычисления-требуют света с длинами волн, охватывающими видимый и ближний-инфракрасный диапазоны волн. «Приложения, которым необходимо быстро направлять и включать и выключать свет, например оптическая обработка данных и вычисления, также могут извлечь выгоду из платформы, используя другие физические функции, которые обеспечивают материалы», — говорит Бродник. «Технологии потребительских дисплеев — это, возможно, еще одно применение. Есть еще много других,-которые мы, конечно, даже не придумали, и которые теперь могут быть рассмотрены и разработаны научным сообществом».
У команды есть «несколько интересных фотонных архитектур, которые в настоящее время находятся на стадии проектирования, для которых требуется полный набор возможностей, поддерживаемых нашей платформой», — говорит Бродник. «Мы также рады сотрудничать с коллегами и другими исследователями, которые приносят нам новые идеи и приложения, которые мы, возможно, не рассматривали или не нуждаемся в общем опыте для реализации. Волнующие времена».
