Optische Wellenleiter-Mikroresonatoren, die von der Gruppe von Professor Won Park an der University of Colorado Boulder entwickelt wurden, stoßen die Tür zu neuen On-Chip-Sensortechnologien weit auf.
Diese winzigen optischen Sensoren fangen Licht auf dem-Chip ein und bauen dessen Intensität-und ihre hohe-Q Faktor und Nichtlinearität machen sie ideal für Anwendungen wie Laser mit schmaler Linienbreite über stimulierte Brillouin- und Raman-Streuung, Frequenzkammerzeugung oder Quanteninformationsverarbeitung.
„Wir sind daran interessiert, nichtlineare Optik mit neuen Materialien zu erforschen-in unserem Fall Chalkogeniden, die für ihre langwellige Transparenz, hohe Nichtlinearität und amorphe Natur bekannt sind und Integrationsmöglichkeiten mit anderen Materialien wie Lithiumniobat und Siliziumnitrid bieten“, erklärt Park, Professor für Elektrotechnik.
Euler?
Das Design des optischen Wellenleiter-Mikroresonators der Gruppe basiert auf Euler-"U"-Krümmungen, die es dem Licht ermöglichen, etwa 3 Nanosekunden lang im Mikroresonator zu bleiben (während der Photonenlebensdauer von 3-ns legt das Licht etwa einen halben Meter oder fast tausend Hin- und Rückläufe zurück). Dies erhöht die Pfadlänge der Geräte und ermöglicht nichtlineare optische Wechselwirkungen. Es gibt den Forschern im Wesentlichen die Kontrolle über den Biegeverlust, der Mikroresonatoren innewohnt, und ermöglicht Geräte mit extrem geringem -Verlust, ähnlich wie bei anderen hochmodernen Materialplattformen.
Simulationen waren entscheidend, um herauszufinden, warum herkömmliche Resonatoren so viel Licht verlieren. „Wir haben COMSOL Multiphysics verwendet, um Modenfeldverteilungen zu berechnen und Überlappungsintegrale durchzuführen“, sagt Park. „Dadurch konnten wir einen ‚Sweet Spot‘ an der Verbindungsstelle lokalisieren, an der sich die geraden und gekrümmten Wellenleiter treffen. Wir verwendeten auch FDTD-Simulationen, um zu modellieren, wie sich Licht durch die Euler-Kurven ausbreitet, um sicherzustellen, dass wir die Modenanregung höherer -Ordnung unterdrücken konnten, die diese Geräte mit kleinem Platzbedarf typischerweise stört.“
Die Gruppe entwarf tatsächlich die Strukturen für ein anderes Experiment und war sehr überrascht, hohe -Q Faktoren, die sie seitdem in zwei verschiedenen Reinräumen wiederholt haben.
„Unser Aha-Erlebnis war die Erkenntnis, dass wir durch die Verwendung von Euler-Kurven -bei denen sich die Krümmung linear ändert- wir das Licht im Wesentlichen dazu bringen konnten, trotz sehr enger Biegungen im Grundmodus zu bleiben“, sagt Park. „Es war unglaublich lohnend zu sehen, dass unsere experimentellen Ergebnisse dem theoretischen intrinsischen Qualitätsfaktor von 4,55 × 10 entsprechen6. Das Erreichen der höchsten nichtlinearen Gütezahl, die für Chalkogenid-PICs gemeldet wurde, ist das Sahnehäubchen.“
Herausforderung Lithographie
Um dorthin zu gelangen, musste die Gruppe zunächst einen elektronenstrahllithografischen Strukturierungsprozess für ihr Material entwickeln, da die herkömmliche Lithografie, die Photonen verwendet, durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt ist.
Größte Hürde dabei? Materialempfindlichkeit. „Chalkogenide können unter Oberflächenoxidation und der Absorption von Verunreinigungen leiden“, sagt Park. „In einer von zwei Doktoranden, Bright Lu und James Erikson, geleiteten Anstrengung haben wir dieses Problem gelöst, indem wir einen Vakuumglühprozess bei 250 Grad eingesetzt haben, um die Materialhomogenität zu verbessern und die Oberflächenrauheit zu verringern. Außerdem mussten wir unser Bortrichlorid (BCl) genau kalibrieren3) und Argon (Ar)-Gasmischung während des reaktiven Ionenätzens mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP RIE), um glatte Seitenwände zu gewährleisten, was für die Aufrechterhaltung einer ultrahohen -Q' Leistung."
„Schweizer Taschenmesser“ für PICs
Diese Resonatoren ähneln „einem Schweizer Taschenmesser für PICs“, sagt Park. „Wegen der hohen-QFaktor und Nichtlinearität eignen sie sich perfekt für eine Vielzahl von Anwendungen wie Laser mit schmaler-Linienbreite über stimulierte Brillouin- und Raman-Streuung, Frequenzkammerzeugung für die Messtechnik und Telekommunikation oder Quanteninformationsverarbeitung, bei der niedrige -Verluste auf-Chipkomponenten nicht verhandelbar sind.“
Nachdem die Gruppe von Park nun die verlustarmen Fähigkeiten der Plattform (Absorptionsverlust von 0,43 dB/m) bewiesen hat, haben sie die ultimative Verlustgrenze im Blick. „Außerdem verbreitern wir die Wellenleiter weiter, um eine ‚material{3}}begrenzte‘ Leistung zu erreichen, was unsere Leistung möglicherweise steigern könnteQ-Faktoren noch höher und ermöglichen noch effizientere nichtlineare Interaktionen“, sagt er.
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