Laservåglängder som krävs för många av dagens mest spännande experiment, särskilt inom det synliga området, är en utmaning att källa för små fotoniska integrerade kretsar (PIC). Men US National Institute of Standards and Technology (NIST) fotonikforskare och kollegor vid Octave Photonics leder en lösning på detta problem med våglängdsåtkomst-och tar sig an utmaningar för att förena olika fotoniska funktioner för att stödja optisk omkoppling, routing och filtrering
Ett vanligt tillvägagångssätt idag är att kombinera olika fotonikmaterial för att försöka möjliggöra dessa olika funktioner och utnyttja styrkor där de finns, men inget enskilt material kan göra det alls av de skalor som önskas för nya tillämpningar.
"Vårt arbete var inspirerat av det höga målet att uppnå "alla våglängdslasrar", med direkt kompatibilitet med befintlig fotonisk teknologi", säger Grant M. Brodnik, fysiker i NIST:s Quantum and Nolinear Nanophotonics Group. "Och vi demonstrerade andra funktioner som frekvenskammar och superkontinuumgenerering, eftersom plattformen stöder dem direkt. Dessa funktioner spelar en nyckelroll i många viktiga applikationer."
Tack, olinjär optik
För att nå den hastighet som artificiell intelligens (AI) och kvanttillämpningar kräver är en övergång från elektroner till fotoner avgörande-och det är även lasrar i chipskala "alla våglängder".
En kort förklaring av teamets nya tillvägagångssätt: Det börjar med en standard kiselskiva belagd med kiseldioxid (glas) och litiumniobat, ett olinjärt material som kan ändra färgen på ljuset som kommer in i det. Genom att lägga till metall kan litiumniobatet ställas in elektriskt- för att konvertera en ljusfärg till en annan. Liknande metall-litiumniobatgränssnitt kan möjliggöra snabb på-/avstängning av ljus (tänk hög-routing och databehandling).
Att avsätta komplexa mönster av tantalpentoxid, aka tantala, direkt ovanpå de andra fotoniska kretsarna tillåter mångsidiga fotoniska plattformar att fungera tillsammans. Tantala är ett starkt olinjärt material och är väl lämpat för synlig våglängdsdrift. "Kritiskt sett har det tilltalande materialegenskaper (relaterade till dess tillverkning) som gör det mottagligt för direkt integration med andra fotoniska material", säger Brodnik.
När forskarna mönstrade materialen ovanpå varandra i en 3D-stack, slutade de med ett enda chip som effektivt dirigerar ljus mellan lagren. Detta chip kombinerar tantalas ljusmanipuleringsförmåga med litiumniobats kontrollerbarhet.
Icke-linjär optik är den nu "inte-så-hemliga sås"-fysiken som de utnyttjar "för att göra helt nya ljusfärger av den enda färgen vi lägger in", förklarar Brodnik. "Om du tar en bild med en kamera förväntar du dig inte att bildens färger kommer att ändras när de passerar genom en lins. Men med icke-linjära material med hög optisk effekt från lasrar, är det precis vad som händer. Det är en nyckelteknik som driver bordslasrar i-skala som gör många anpassade färger idag. Vi använder dessa tekniker-men med kretsar av små enheter."
Den häftigaste aspekten av detta arbete för Brodnik är att se "nya, ofta bländande ljusfärger dyka upp ur våra enheter från att konvertera ingångsljuset (som är osynligt för våra ögon)," säger han. "I labbet, med ett chip på ett teststeg, ställer vi långsamt in driftsparametrarna och, bom, blått-grönt börjar lysa över chipet. På nästa enhet gör vi det blå-violett. Det känns lite som magi."
Deras arbete "lägger grunden och visar plattformens potential", säger Brodnik. "Vi kommer säkert att arbeta för att optimera prestandan för befintliga konstruktioner, men plattformen låser upp ny funktionalitet och designknappar som vi är glada över att utforska."
Många applikationer som involverar gränssnitt med atomära övergångar-tror att kvantavkänning och beräkning-kräver ljus vid våglängder som spänner över det synliga och nära-infraröda vågbandet. "Applikationer som snabbt behöver dirigera och slå på/stänga av ljus, som optisk databehandling och beräkningar, kan dra nytta av plattformen också genom att utnyttja andra fysikfunktioner som materialen tillhandahåller", säger Brodnik. "Consumer display tech är kanske en annan applikation. Det finns många fler-som vi inte ens har tänkt på, som nu kan övervägas och utvecklas av forskarvärlden."
Teamet har "en handfull spännande fotoniska arkitekturer som för närvarande är i designstadier, som kräver en hel mängd funktioner som vår plattform stöder", säger Brodnik. "Vi är också glada över att samarbeta med kollegor och andra forskare som har gett oss nya idéer och applikationer som vi kanske inte har övervägt eller behöver delad expertis för att driva. Spännande tider."
