Лазерните дължини на вълните, необходими за много от днешните най-интригуващи експерименти, особено във видимия диапазон, са предизвикателство за източник на малки фотонни интегрални схеми (PIC). Но изследователите на фотониката от Националния институт за стандарти и технологии на САЩ (NIST) и колегите им от Octave Photonics оглавяват решение на този проблем с достъпа до дължината на вълната-и също се справят с предизвикателствата за обединяване на различни фотонни функции за поддържане на оптично превключване, маршрутизиране и филтриране
Един често срещан подход днес е да се комбинират различни фотонни материали, за да се опитат да се активират тези различни функции и да се използват силните страни там, където съществуват, но нито един материал не може да го направи във всички мащаби, желани за прилагане на нови приложения.
„Работата ни беше вдъхновена от възвишената цел за постигане на „лазери с всякаква дължина на вълната“ с директна съвместимост със съществуващите фотонни технологии“, казва Грант М. Бродник, физик в групата по квантова и нелинейна нанофотоника на NIST. „И ние демонстрирахме други функционалности като честотни гребени и генериране на суперконтинуум, защото платформата ги поддържа директно. Тези възможности играят ключова роля в много важни приложения.“
Благодаря ти, нелинейна оптика
За постигане на скоростта, изисквана от изкуствения интелект (AI) и квантовите приложения, преминаването от електрони към фотони е критично-както и лазерите с размер на чипа с „всякаква дължина на вълната“.
Кратко обяснение на новия подход на екипа: Започва със стандартна силициева пластина, покрита със силициев диоксид (стъкло) и литиев ниобат, нелинеен материал, който може да промени цвета на светлината, влизаща в него. Добавянето на метал позволява на литиевия ниобат да бъде електрически набран-за преобразуване на един цвят на светлината в други. Подобни метални-литиево-ниобатни интерфейси могат да позволят бързо включване/изключване на светлината (мислете за високо-скоростно маршрутизиране и обработка на данни).
Депозирането на сложни модели от танталов пентоксид, известен още като тантала, директно върху другата фотонна верига позволява на многостранни фотонни платформи да работят съвместно. Танталата е здрав нелинеен материал и е много подходящ за работа във видимата дължина на вълната. „Критично е, че има привлекателни свойства на материала (свързани с производството му), които го правят податлив на директна интеграция с други фотонни материали“, казва Бродник.
Когато изследователите моделираха материалите един върху друг в 3D стек, те завършиха с един чип, който ефективно насочва светлината между слоевете. Този чип съчетава способностите на tantala за манипулиране на светлината с контролируемостта на литиевия ниобат.
Нелинейната оптика е вече „не{0}}толкова-тайният сос“ физика, която те използват, „за да направят изцяло нови цветове на светлината от единствения цвят, който влагаме“, обяснява Бродник. „Ако правите снимка с фотоапарат, не очаквате цветовете на изображението да се променят, когато преминават през обектив. Но с нелинейните материали с висока оптична мощност, осигурени от лазери, точно това се случва. Това е ключова техника, захранваща настолни-мащабни лазери, които правят много персонализирани цветове днес. Използваме тези техники,-но с фотонни вериги в устройства, по-малки от размера на оризово зърно.“
Най-готиният аспект на тази работа за Бродник е да види как "нови, често ослепителни цветове на светлината изскачат от нашите устройства от преобразуването на входната светлина (която е невидима за нашите очи)", казва той. „В лабораторията, с чип на тестов етап, ние бавно набираме параметрите на работа и, бум, ярко синьо-зелено започва да свети върху чипа. На следващото устройство го правим синьо-виолетово. Усещането е малко като магия.“
Тяхната работа "полага основата и демонстрира потенциала на платформата", казва Бродник. „Със сигурност ще работим за оптимизиране на производителността на съществуващите дизайни, но платформата отключва нова функционалност и дизайнерски копчета, които сме развълнувани да изследваме.“
Много приложения, които включват взаимодействие с атомни преходи-мислят за квантово отчитане и изчисления-изискват светлина с дължини на вълните, обхващащи видимия и близкия-инфрачервен вълнови ленти. „Приложенията, които се нуждаят от бързо маршрутизиране и включване/изключване на светлината, като оптична обработка на данни и изчисления, могат да се възползват и от платформата, като използват други физически функционалности, които предоставят материалите“, казва Бродник. „Технологиите за потребителски дисплеи са може би друго приложение. Има много повече-със сигурност такива, за които дори не сме се сетили, които сега могат да бъдат разгледани и разработени от научната общност.“
Екипът разполага с „шепа вълнуващи фотонни архитектури, които в момента са в етап на проектиране, което изисква пълен набор от възможности, поддържани от нашата платформа“, казва Бродник. „Също така сме развълнувани да си сътрудничим с колеги и други изследователи, които ни предоставят нови идеи и приложения, които може би не сме обмисляли или изискват споделен опит, за да ги преследваме. Вълнуващи времена.“
