Оптические волноводные микрорезонаторы, созданные группой профессора Вон Парка из Университета Колорадо в Боулдере, широко открывают двери новым-технологиям встроенных датчиков.
Эти крошечные оптические датчики улавливают свет на-чипе и повышают его интенсивность-и высокий-Q Коэффициент и нелинейность делают их идеальными для таких приложений, как лазеры с узкой-шириной линии посредством вынужденного рассеяния Бриллюэна и комбинационного рассеяния света, генерации гребенки частот или квантовой обработки информации.
"Мы заинтересованы в изучении нелинейной оптики с использованием новых материалов-в нашем случае, халькогенидов, которые известны своей длинноволновой прозрачностью, высокой нелинейностью и аморфной природой, которые имеют возможности интеграции с другими материалами, такими как ниобат лития и нитрид кремния", - объясняет Парк, профессор электротехники.
Эйлер?
Конструкция оптического волноводного микрорезонатора группы основана на U-образных изгибах Эйлера, которые позволяют свету оставаться внутри микрорезонатора в течение примерно 3 наносекунд (за время жизни фотона 3-нс свет проходит около полуметра или почти тысячу оборотов туда и обратно). Это увеличивает длину пути устройств и обеспечивает нелинейное оптическое взаимодействие. По сути, это дает исследователям контроль над потерями на изгибах, присущими микрорезонаторам, и позволяет создавать устройства со сверхнизкими-потерями, аналогичные другим современным--платформам из современных материалов.
Моделирование имело решающее значение для определения того, почему традиционные резонаторы теряют так много света. «Мы использовали COMSOL Multiphysicals для расчета распределений полей мод и расчета интегралов перекрытия», — говорит Парк. «Это позволило нам определить «золотую середину» на стыке прямых и изогнутых волноводов. Мы также использовали моделирование FDTD для моделирования того, как свет распространяется по кривым Эйлера, чтобы гарантировать, что мы можем подавить возбуждение моды более высокого -порядка, которое обычно поражает эти небольшие-устройства».
Группа разработала конструкции для другого эксперимента и была очень удивлена, обнаружив высокие-Q факторы, которые они с тех пор повторили в двух разных чистых помещениях.
«Наш момент «ага» заключался в осознании того, что с помощью кривых Эйлера,-где кривизна изменяется линейно-, мы можем, по сути, «обмануть» свет, заставив его оставаться в основной моде, несмотря на очень крутые изгибы», — говорит Парк. «Было невероятно приятно видеть, что наши экспериментальные результаты соответствуют теоретическому внутреннему коэффициенту качества 4,55 × 10.6. Достижение самого высокого показателя нелинейной эффективности, зафиксированного для халькогенидных PIC, — это вишенка на торте».
Задача литографии
Чтобы добиться этого, группе сначала пришлось разработать процесс формирования рисунка электронно-лучевой литографией для своего материала, поскольку традиционная литография, использующая фотоны, ограничена длиной волны света.
Основное препятствие? Чувствительность к материалу. «Халькогениды могут страдать от поверхностного окисления и поглощения, связанного с-примесями», — говорит Парк. «С помощью двух аспирантов, Брайта Лу и Джеймса Эриксона, мы преодолели эту проблему, применив процесс вакуумного отжига при температуре 250 градусов, чтобы улучшить однородность материала и уменьшить шероховатость поверхности. Нам также необходимо было точно откалибровать наш трихлорид бора (BCl).3) и газовой смеси аргона (Ar) во время реактивного ионного травления с индуктивно-связанной плазмой (ICP RIE) для обеспечения гладких боковых стенок, что жизненно важно для поддержания «сверхвысоких-Q' производительность."
«Швейцарский армейский нож» для КВС
Эти резонаторы подобны «швейцарскому армейскому ножу для PIC», говорит Пак. "Из-за высокого-Qфактора и нелинейности, они идеально подходят для широкого спектра применений, таких как лазеры с узкой-шириной линии посредством вынужденного рассеяния Бриллюэна и комбинационного рассеяния света, генерация частотных гребенок для метрологии и телекоммуникаций или квантовая обработка информации, где низкие-потери на-компонентах кристалла не являются предметом переговоров».
Теперь, когда группа Парка доказала возможности платформы с низкими-потерями (потери на поглощение 0,43 дБ/м), они присматриваются к предельному пределу потерь. «Мы также расширяем диапазон волноводов, чтобы перейти к «материально ограниченной» производительности, что потенциально может подтолкнуть нашиQ-коэффициенты еще выше и обеспечивают еще более эффективное нелинейное взаимодействие", – говорит он.
ДАЛЬНЕЙШЕЕ ЧТЕНИЕ
