Die für viele der faszinierendsten Experimente der Gegenwart erforderlichen Laserwellenlängen, insbesondere im sichtbaren Bereich, sind eine Herausforderung bei der Beschaffung winziger photonischer integrierter Schaltkreise (PICs). Aber Photonikforscher des US National Institute of Standards and Technology (NIST) und Kollegen von Octave Photonics sind Vorreiter bei der Lösung dieses Problems des Wellenlängenzugangs-und gehen auch die Herausforderungen an, verschiedene photonische Funktionen zu vereinen, um optisches Schalten, Routing und Filtern zu unterstützen
Ein heute üblicher Ansatz besteht darin, verschiedene photonische Materialien zu kombinieren, um zu versuchen, diese unterschiedlichen Funktionen zu ermöglichen und Stärken dort zu nutzen, wo sie vorhanden sind. Allerdings kann kein einzelnes Material dies in allen Maßstäben leisten, die für die Erschließung neuer Anwendungen erforderlich sind.
„Unsere Arbeit wurde von dem hohen Ziel inspiriert, ‚Laser mit beliebiger Wellenlänge‘ zu erreichen, die direkt mit bestehenden photonischen Technologien kompatibel sind“, sagt Grant M. Brodnik, Physiker in der Quantum and Nonlinear Nanophotonics Group des NIST. „Und wir haben andere Funktionalitäten wie Frequenzkämme und Superkontinuumserzeugung demonstriert, weil die Plattform sie direkt unterstützt. Diese Fähigkeiten spielen in vielen wichtigen Anwendungen eine Schlüsselrolle.“
Danke, nichtlineare Optik
Um die Geschwindigkeit zu erreichen, die künstliche Intelligenz (KI) und Quantenanwendungen erfordern, ist eine Verlagerung von Elektronen zu Photonen entscheidend-und das Gleiche gilt für Laser mit beliebiger Wellenlänge im Chipmaßstab.
Eine kurze Erklärung des neuen Ansatzes des Teams: Es beginnt mit einem Standard-Siliziumwafer, der mit Siliziumdioxid (Glas) und Lithiumniobat beschichtet ist, einem nichtlinearen Material, das die Farbe des einfallenden Lichts verändern kann. Durch die Zugabe von Metall kann das Lithiumniobat elektrisch angesteuert werden, um eine Lichtfarbe in eine andere umzuwandeln. Ähnliche Metall--Lithiumniobat-Schnittstellen können ein schnelles Ein-/Ausschalten von Licht ermöglichen (denken Sie an Hochgeschwindigkeits-Routing und Datenverarbeitung).
Durch die Ablagerung komplexer Muster aus Tantalpentoxid, auch Tantala genannt, direkt auf den anderen photonischen Schaltkreisen können vielseitige photonische Plattformen zusammenarbeiten. Tantala ist ein starkes nichtlineares Material und eignet sich gut für den Betrieb im sichtbaren Wellenlängenbereich. „Entscheidend ist, dass es attraktive Materialeigenschaften aufweist (im Zusammenhang mit seiner Herstellung), die es für die direkte Integration mit anderen photonischen Materialien geeignet machen“, sagt Brodnik.
Als die Forscher die Materialien in einem 3D-Stapel übereinander strukturierten, erhielten sie am Ende einen einzigen Chip, der das Licht effizient zwischen den Schichten leitet. Dieser Chip kombiniert die Lichtmanipulationsfähigkeiten von Tantala mit der Steuerbarkeit von Lithiumniobat.
Nichtlineare Optik ist die mittlerweile „nicht{0}}so-geheime Physik, die sie nutzen, „um aus der einzelnen Farbe, die wir eingegeben haben, völlig neue Lichtfarben zu erzeugen“, erklärt Brodnik. „Wenn Sie ein Bild mit einer Kamera aufnehmen, erwarten Sie nicht, dass sich die Farben des Bildes ändern, wenn es durch ein Objektiv geht. Aber bei nichtlinearen Materialien mit hoher optischer Leistung, die von Lasern bereitgestellt werden, passiert genau das. Es ist eine Schlüsseltechnik, die Tischlaser antreibt-, die heute viele kundenspezifische Farben erzeugen. Wir verwenden diese Techniken-, aber mit photonischen Schaltkreisen in Geräten, die kleiner als die Größe eines Reiskorns sind.“
Der coolste Aspekt dieser Arbeit ist für Brodnik, dass „durch die Umwandlung des Eingangslichts (das für unsere Augen unsichtbar ist) neue, oft schillernde Lichtfarben aus unseren Geräten hervortreten“, sagt er. „Im Labor, während ein Chip auf einem Testtisch steht, stellen wir langsam die Betriebsparameter ein und, bumm, beginnt leuchtendes Blau-Grün auf dem Chip zu leuchten. Beim nächsten Gerät machen wir ihn blau-Violett. Es fühlt sich ein bisschen wie Magie an.“
Ihre Arbeit „lege den Grundstein und demonstriere das Potenzial der Plattform“, sagt Brodnik. „Wir werden sicherlich daran arbeiten, die Leistung bestehender Designs zu optimieren, aber die Plattform eröffnet neue Funktionen und Designknöpfe, die wir gerne erkunden möchten.“
Viele Anwendungen, die eine Schnittstelle zu atomaren Übergängen beinhalten-man denke an Quantensensorik und -berechnung-erfordern Licht mit Wellenlängen, die das sichtbare und nahe-Infrarot-Wellenband umfassen. „Anwendungen, die Licht schnell leiten und ein-/ausschalten müssen, wie etwa optische Datenverarbeitung und Computer, können ebenfalls von der Plattform profitieren, indem sie andere physikalische Funktionalitäten nutzen, die die Materialien bieten“, sagt Brodnik. „Consumer-Display-Technologie ist vielleicht eine weitere Anwendung. Es gibt noch viel mehr -sicherlich solche, an die wir noch nicht einmal gedacht haben, die jetzt von der wissenschaftlichen Gemeinschaft in Betracht gezogen und entwickelt werden können.“
Das Team verfügt über „eine Handvoll spannender photonischer Architekturen, die sich derzeit in der Entwurfsphase befinden und eine ganze Reihe von Funktionen erfordern, die unsere Plattform unterstützt“, sagt Brodnik. „Wir freuen uns auch auf die Zusammenarbeit mit Kollegen und anderen Forschern, die uns neue Ideen und Anwendungen gebracht haben, an die wir vielleicht noch nicht gedacht haben oder für deren Umsetzung gemeinsames Fachwissen erforderlich ist. Spannende Zeiten.“
