Laseraallonpituudet, joita tarvitaan moniin nykypäivän kiehtovimpiin kokeisiin, erityisesti näkyvällä alueella, ovat haaste pienten fotonisten integroitujen piirien (PIC) hankinnassa. Mutta US National Institute of Standards and Technology (NIST) fotoniikkatutkijat ja kollegat Octave Photonicsista ovat keihäänkärjessä ratkaisua tähän aallonpituusongelmaan-ja myös haasteisiin yhdistää eri fotonitoimintoja tukemaan optista kytkentää, reititystä ja suodatusta.
Eräs yleinen lähestymistapa nykyään on yhdistää erilaisia fotoniikkamateriaaleja näiden eri toimintojen mahdollistamiseksi ja hyödyntää vahvuuksia siellä, missä niitä on, mutta mikään yksittäinen materiaali ei voi tehdä sitä millään mittakaavalla, joka halutaan uusien sovellusten käyttöön.
"Työmme inspiroi ylevä tavoite saada aikaan "millä tahansa aallonpituuksilla lasereita", jotka ovat suoraan yhteensopivia olemassa olevien fotoniteknologioiden kanssa", sanoo Grant M. Brodnik, NISTin kvantti- ja epälineaarisen nanofotoniikkaryhmän fyysikko. "Ja esittelimme muita toimintoja, kuten taajuuskampoja ja superjatkuvuuden generointia, koska alusta tukee niitä suoraan. Näillä ominaisuuksilla on keskeinen rooli monissa tärkeissä sovelluksissa."
Kiitos, epälineaarinen optiikka
Tekoälyn (AI) ja kvanttisovellusten vaatiman nopeuden saavuttamiseksi siirtyminen elektroneista fotoneihin on kriittinen{0}}ja niin ovat myös sirumittakaavaiset "kaiken aallonpituuslaserit".
Lyhyt selitys tiimin uudesta lähestymistavasta: Se alkaa tavallisella piikiekolla, joka on päällystetty piidioksidilla (lasi) ja litiumniobaatilla, epälineaarisella materiaalilla, joka voi muuttaa siihen tulevan valon väriä. Metallin lisääminen mahdollistaa litiumniobaatin sähköisen valinnan-valon muuntamiseksi toiseksi väriksi. Samankaltaiset metalli-litiumniobaattiliitännät voivat mahdollistaa valon nopean päälle/pois kytkemisen (ajattele nopeaa-reititystä ja tietojenkäsittelyä).
Tantaalipentoksidin, eli tantalan, monimutkaisten kuvioiden sijoittaminen suoraan toisen fotonipiirin päälle mahdollistaa monipuolisten fotonialustojen toiminnan yhdessä. Tantala on vahva epälineaarinen materiaali ja sopii hyvin näkyvän aallonpituusoperaatioon. "Kriittisesti sillä on houkuttelevia materiaaliominaisuuksia (jotka liittyvät sen valmistukseen), jotka mahdollistavat sen suoran integroinnin muiden fotonimateriaalien kanssa", Brodnik sanoo.
Kun tutkijat kuvioivat materiaalit päällekkäin 3D-pinossa, he päätyivät yhteen siruun, joka reitittää valon tehokkaasti kerrosten välillä. Tässä sirussa yhdistyvät tantalan valonkäsittelykyvyt litiumniobaatin ohjattavuuden kanssa.
Epälineaarinen optiikka on nyt "ei{0}}niin-salainen kastike" fysiikkaa, jota he hyödyntävät "valmistaakseen täysin uusia valon värejä yhdestä ainoasta väristä", selittää Brodnik. "Jos otat kuvan kameralla, et odota kuvan värien muuttuvan, kun se kuljetetaan linssin läpi. Mutta niin tapahtuu, kun laserit tarjoavat suuren optisen tehon epälineaarisia materiaaleja. Se on keskeinen tekniikka, joka antaa virtaa pöytätietokoneissa{5}}mittakaavassa lasereille, jotka tekevät nykyään monia mukautettuja värejä. Käytämme näitä tekniikoita,{7}}mutta laitteissa on pienempi koko kuin fotoniikkapiiri."
Viilein puoli tässä työssä Brodnikille on nähdä "uudet, usein häikäisevät valon värit ponnahtavat ulos laitteistamme muuntaessaan valoa (joka on näkymätön silmillemme)", hän sanoo. "Laboratoriossa sirun ollessa testivaiheessa näppäilemme hitaasti toimintaparametreja ja puomi, kirkas sininen-vihreä alkaa hehkua sirun poikki. Seuraavassa laitteessa teemme siitä sinisen-violettin. Se tuntuu vähän taikalta."
Heidän työnsä "luovat perustan ja osoittavat alustan potentiaalin", Brodnik sanoo. "Työskentelemme varmasti olemassa olevien mallien suorituskyvyn optimoimiseksi, mutta alusta avaa uusia toimintoja ja suunnittelunuppeja, joita olemme innoissamme tutkimassa."
Monet sovellukset, joihin liittyy atomien siirtymiä,-ajattelevat kvanttitunnistinta ja -laskentaa-vaativat valoa aallonpituuksilla, jotka kattavat näkyvän ja läheisen{2}}infrapuna-aaltokaistan. "Sovellukset, joiden täytyy reitittää ja kytkeä valot nopeasti päälle/pois, kuten optinen tietojenkäsittely ja laskenta, voivat hyötyä alustasta myös hyödyntämällä muita materiaalien tarjoamia fysiikan toimintoja", Brodnik sanoo. "Kuluttajakäyttöinen näyttötekniikka on ehkä toinen sovellus. On monia muitakin,-joita emme ole varmasti edes keksineet ja joita tiedeyhteisö voi nyt harkita ja kehittää."
Tiimillä on "kourallinen jännittäviä fotoniarkkitehtuureja tällä hetkellä suunnitteluvaiheessa, jotka vaativat täyden valikoiman alustamme tukemia ominaisuuksia", Brodnik sanoo. "Olemme myös innoissamme yhteistyöstä kollegoiden ja muiden tutkijoiden kanssa, jotka ovat tuoneet meille uusia ideoita ja sovelluksia, joita emme ehkä ole harkinneet tai vaatineet yhteistä asiantuntemusta. Jännittäviä aikoja."
