Panjang gelombang laser yang diperlukan untuk kebanyakan eksperimen yang paling menarik hari ini, terutamanya dalam julat yang boleh dilihat, merupakan satu cabaran untuk mendapatkan litar bersepadu fotonik kecil (PIC). Tetapi penyelidik dan rakan sekerja fotonik Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan (NIST) AS di Octave Photonics menerajui penyelesaian kepada isu akses panjang gelombang ini-dan juga menangani cabaran untuk menyatukan fungsi fotonik yang berbeza untuk menyokong pensuisan optik, penghalaan dan penapisan
Satu pendekatan biasa hari ini ialah menggabungkan bahan fotonik yang berbeza untuk cuba mendayakan fungsi dan kekuatan yang berbeza ini di tempat ia wujud, tetapi tiada satu bahan pun boleh melakukannya pada semua skala yang dikehendaki untuk memasukkan aplikasi baharu.
"Kerja kami telah diilhamkan oleh matlamat tinggi untuk mencapai 'sebarang laser panjang gelombang', dengan keserasian langsung kepada teknologi fotonik sedia ada," kata Grant M. Brodnik, ahli fizik dalam Kumpulan Nanofotonik Kuantum dan Bukan Linear NIST. "Dan kami menunjukkan fungsi lain seperti sikat frekuensi dan penjanaan supercontinuum, kerana platform menyokongnya secara langsung. Keupayaan ini memainkan peranan penting dalam banyak aplikasi penting."
Terima kasih, optik tak linear
Untuk mencapai kelajuan kecerdasan buatan (AI) dan permintaan aplikasi kuantum, peralihan daripada elektron kepada foton adalah kritikal-dan begitu juga dengan laser "sebarang panjang gelombang" skala cip.
Penjelasan ringkas tentang pendekatan baharu pasukan: Ia bermula dengan wafer silikon standard yang disalut dengan silikon dioksida (kaca) dan litium niobate, bahan tak linear yang boleh mengubah warna cahaya yang memasukinya. Menambah logam membolehkan litium niobate didail secara elektrik-untuk menukar satu warna cahaya kepada warna lain. Antara muka logam-niobate logam yang serupa boleh membenarkan pensuisan hidup/mati pantas cahaya (fikirkan penghalaan-kelajuan tinggi dan pemprosesan data).
Mendepositkan corak kompleks tantalum pentoksida, aka tantala, terus di atas litar fotonik lain membolehkan platform fotonik serba boleh beroperasi secara konsert. Tantala ialah bahan tak linear yang kuat dan sangat sesuai untuk operasi panjang gelombang yang boleh dilihat. "Secara kritis, ia mempunyai sifat material yang menarik (berkaitan dengan fabrikasinya) yang menjadikannya boleh disepadukan secara langsung dengan bahan fotonik lain," kata Brodnik.
Apabila penyelidik mencorak bahan di atas satu sama lain dalam timbunan 3D, mereka berakhir dengan satu cip yang cekap mengarahkan cahaya antara lapisan. Cip ini menggabungkan kebolehan manipulasi cahaya tantala dengan kebolehkawalan litium niobate.
Optik bukan linear kini merupakan fizik "yang tidak-begitu-sos rahsia" yang mereka manfaatkan "untuk menghasilkan warna cahaya yang baharu sepenuhnya daripada satu warna yang kami masukkan," jelas Brodnik. "Jika anda mengambil gambar dengan kamera, anda tidak menjangkakan warna imej akan berubah apabila melalui kanta. Tetapi dengan bahan bukan linear pada kuasa optik tinggi yang disediakan oleh laser, ia betul-betul berlaku. Ini adalah teknik utama yang menjana kuasa laser atas meja-yang menghasilkan banyak warna tersuai hari ini. Kami menggunakan teknik ini-tetapi dengan saiz litar fotonik yang kecil."
Aspek paling hebat dalam kerja ini untuk Brodnik ialah melihat "warna cahaya baharu yang sering mempesonakan muncul daripada peranti kami daripada menukar cahaya input (yang tidak dapat dilihat oleh mata kami)," katanya. "Di makmal, dengan cip duduk di peringkat ujian, kami perlahan-lahan mendail parameter operasi dan, ledakan, biru terang-hijau mula bersinar merentasi cip. Pada peranti seterusnya, kami menjadikannya biru-ungu. Rasanya seperti ajaib."
Kerja mereka "meletakkan asas dan menunjukkan potensi platform," kata Brodnik. "Kami pastinya akan berusaha untuk mengoptimumkan prestasi reka bentuk sedia ada, tetapi platform membuka kunci fungsi baharu dan tombol reka bentuk yang kami teruja untuk meneroka."
Banyak aplikasi yang melibatkan antara muka dengan peralihan atom-berfikir penderiaan kuantum dan pengkomputeran-memerlukan cahaya pada panjang gelombang merentangi jalur gelombang inframerah kelihatan dan dekat-. "Aplikasi yang perlu menghalakan dan menghidupkan/mematikan lampu dengan pantas, seperti pemprosesan data optik dan pengkomputeran, boleh mendapat manfaat daripada platform itu juga dengan memanfaatkan fungsi fizik lain yang disediakan oleh bahan," kata Brodnik. "Teknologi paparan pengguna mungkin merupakan satu lagi aplikasi. Terdapat banyak lagi-yang pastinya belum kami fikirkan, yang kini boleh dipertimbangkan dan dibangunkan oleh komuniti saintifik."
Pasukan ini mempunyai "segelintir seni bina fotonik yang menarik pada masa ini dalam peringkat reka bentuk, yang memerlukan pelbagai keupayaan penuh platform kami menyokong," kata Brodnik. "Kami juga teruja untuk bekerjasama dengan rakan sekerja dan penyelidik lain yang telah membawa kami idea dan aplikasi baharu yang mungkin kami tidak pertimbangkan atau memerlukan kepakaran bersama untuk diteruskan. Masa yang menggembirakan."
