Optiska vågledarmikroresonatorer skapade av professor Won Parks grupp vid University of Colorado Boulder sparkar dörren till ny-chipsensorteknologi på vid gavel.
Dessa små optiska sensorer fångar ljus på-chip och bygger dess intensitet-och deras höga-Q faktor och olinjäritet gör dem idealiska för applikationer som smala-linjebreddslasrar via stimulerad Brillouin- och Raman-spridning, frekvenskamgenerering eller kvantinformationsbehandling.
"Vi är intresserade av att utforska olinjär optik med nya material-i vårt fall, kalkogenider, som är kända för sin långa våglängdstransparens, höga olinjäritet och en amorf natur som har integrationsmöjligheter med andra material som litiumniobat och kiselnitrid", förklarar Park, professor i elektroteknik.
Euler?
Gruppens optiska vågledarmikroresonatordesign är baserad på Euler "U"-böjningar, som tillåter ljus att stanna kvar inuti mikroresonatorn i cirka 3 nanosekunder (under fotonlivslängden på 3-ns färdas ljus cirka en halv meter eller nästan tusen tur och retur). Detta ökar väglängden för enheterna och möjliggör olinjära optiska interaktioner. Det ger i huvudsak forskarna kontroll över böjförlusten som är inneboende i mikroresonatorer och möjliggör enheter med ultralåg-förlust som liknar andra-statliga-materialplattformar.
Simuleringar var avgörande för att identifiera varför traditionella resonatorer förlorar så mycket ljus. "Vi använde COMSOL Multiphysics för att beräkna lägesfältfördelningar och utföra överlappningsintegraler", säger Park. "Detta gjorde det möjligt för oss att lokalisera en "sweet spot" vid korsningen där de raka och böjda vågledarna möts. Vi använde också FDTD-simuleringar för att modellera hur ljus fortplantar sig genom Euler-kurvorna för att säkerställa att vi kunde undertrycka högre-excitation i läget som vanligtvis plågar dessa små-footprint-enheter."
Gruppen designade faktiskt strukturerna för ett annat experiment och blev mycket förvånade över att upptäcka hög-Q faktorer som de sedan dess har upprepat i två olika renrum.
"Vårt 'aha'-ögonblick var att inse att genom att använda Euler-kurvor-där krökningen ändras linjärt-kan vi i huvudsak 'lura' ljuset att stanna i grundläget trots mycket snäva kurvor", säger Park. "Det var otroligt givande att se våra experimentella resultat matcha den teoretiska inneboende kvalitetsfaktorn 4,55 × 106. Att uppnå den högsta olinjära siffran som rapporterats för kalkogenid PIC är körsbäret på toppen."
Litografi utmaning
För att komma dit måste gruppen först utveckla en elektronstrålelitografisk mönstringsprocess för sitt material, eftersom traditionell litografi som använder fotoner är begränsad av ljusets våglängd.
Främsta hindret inblandat? Materialkänslighet. "Kalkogenider kan drabbas av ytoxidation och föroreningsrelaterad absorption-", säger Park. "I ett försök ledda av två doktorander, Bright Lu och James Erikson, övervann vi detta genom att använda en vakuumglödgningsprocess vid 250 grader för att förbättra materialets homogenitet och minska ytjämnheten. Vi behövde också exakt kalibrera vår bortriklorid (BCl)3) och argon (Ar) gasblandning under den induktivt kopplade plasmareaktiva jonetsningen (ICP RIE) för att säkerställa jämna sidoväggar, vilket är avgörande för att bibehålla "ultrahög"-Q'prestanda."
"Schweizisk armékniv" för PICs
Dessa resonatorer är besläktade med "en schweizisk armékniv för PICs", säger Park. "På grund av det höga-Qfaktor och olinjäritet, de är perfekta för en mängd olika tillämpningar som smala-linjebreddslasrar via stimulerad Brillouin- och Raman-spridning, frekvenskamgenerering för metrologi och telekommunikation eller kvantinformationsbehandling där låg-förlust på-chipkomponenter inte är förhandlingsbara."
Nu när Parks grupp har bevisat plattformens låga-förlustkapacitet (0,43 dB/m absorptionsförlust) ser de den ultimata förlustgränsen. "Vi vidgar också vågledarna ytterligare för att gå mot "material-begränsad" prestanda, vilket potentiellt kan pressa vårQ-faktorer ännu högre och möjliggör ännu mer effektiva olinjära interaktioner", säger han.
VIDARE LÄSNING
