طول موج های لیزر مورد نیاز برای بسیاری از جالب ترین آزمایش های امروزی، به ویژه در محدوده مرئی، چالشی برای منبع مدارهای مجتمع فوتونی کوچک (PIC) هستند. اما محققان فوتونیک مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) و همکارانش در Octave Photonics راهحلی برای این مشکل دسترسی به طول موج- و همچنین به چالشهایی برای متحد کردن توابع مختلف فوتونیک برای پشتیبانی از سوئیچینگ، مسیریابی و فیلتر کردن نوری ارائه میکنند.
یکی از رویکردهای رایج امروزه ترکیب مواد مختلف فوتونیک برای فعال کردن این عملکردهای مختلف و قدرت اهرمی در جایی است که وجود دارد، اما هیچ ماده واحدی نمی تواند این کار را در همه مقیاس های مورد نظر برای کاربردهای جدید انجام دهد.
Grant M. Brodnik، فیزیکدان در گروه نانوفتونیک کوانتومی و غیرخطی NIST میگوید: «کار ما الهامگرفته از هدف متعالی دستیابی به «هر لیزر طول موجی» با سازگاری مستقیم با فناوریهای فوتونیکی موجود بود. و ما عملکردهای دیگری مانند شانه های فرکانس و تولید ابرپیوسته را نشان دادیم، زیرا پلتفرم مستقیماً از آنها پشتیبانی می کند. این قابلیت ها نقش کلیدی در بسیاری از برنامه های مهم دارند.
با تشکر از شما، اپتیک غیر خطی
برای رسیدن به سرعت مورد نیاز هوش مصنوعی (AI) و کاربردهای کوانتومی، جابجایی از الکترونها به فوتونها بسیار مهم است-و لیزرهای "هر طول موجی" در مقیاس تراشه نیز حیاتی هستند.
توضیح کوتاهی درباره رویکرد جدید این تیم: با یک ویفر سیلیکونی استاندارد که با دی اکسید سیلیکون (شیشه) و لیتیوم نیوبات پوشانده شده است، آغاز می شود، ماده ای غیر خطی که می تواند رنگ نور ورودی به آن را تغییر دهد. افزودن فلز، لیتیوم نیوبات را قادر میسازد تا برای تبدیل یک رنگ نور به رنگ دیگر،-به صورت الکتریکی شمارهگیری شود. رابطهای مشابه فلز-لیتیوم نیوبات میتوانند به روشن/خاموش سریع نور اجازه دهند (مسیریابی و پردازش دادهها را با سرعت بالا در نظر بگیرید).
رسوب الگوهای پیچیده پنتوکسید تانتالیوم، با نام مستعار تانتالا، مستقیماً در بالای مدارهای فوتونیکی دیگر به پلتفرمهای فوتونیک همه کاره اجازه میدهد تا به طور هماهنگ عمل کنند. تانتالا یک ماده غیرخطی قوی است و برای عملیات طول موج مرئی مناسب است. برودنیک میگوید: «از لحاظ مهم، ویژگیهای ماده جذابی دارد (مرتبط با ساخت آن) که آن را برای ادغام مستقیم با سایر مواد فوتونیک آماده میکند.
هنگامی که محققان مواد را روی یکدیگر در یک پشته سه بعدی الگوبرداری کردند، به یک تراشه منفرد رسیدند که نور را بین لایه ها به طور موثر هدایت می کند. این تراشه توانایی های دستکاری نور تانتالا را با قابلیت کنترل لیتیوم نیوبات ترکیب می کند.
برودنیک توضیح میدهد که اپتیک غیرخطی در حال حاضر «{0}}نه-سس مخفی» است که آنها از آن استفاده میکنند تا «رنگهای کاملاً جدیدی از نور را از تک رنگی که ما وارد میکنیم بسازند». "اگر با دوربین عکس میگیرید، انتظار ندارید رنگهای تصویر هنگام عبور از لنز تغییر کند. اما با مواد غیرخطی با قدرت اپتیکی بالا که توسط لیزر ارائه میشود، دقیقاً همین اتفاق میافتد. این یک تکنیک کلیدی است که لیزرهای رومیزی{5}}در مقیاس رومیزی را تغذیه میکند که امروزه رنگهای سفارشی زیادی میسازد. ما از این تکنیکها در دستگاههایی با ابعاد کوچکتر از مدار عکسی استفاده میکنیم."
او میگوید جالبترین جنبه این کار برای برودنیک این است که «رنگهای جدید و اغلب خیرهکننده نور از دستگاههای ما بیرون میآیند که نور ورودی (که برای چشم ما نامرئی است) خارج میشود. "در آزمایشگاه، با تراشه ای که روی یک مرحله آزمایشی قرار دارد، به آرامی پارامترهای عملیات را شماره گیری می کنیم و آبی پر جنب و جوش-سبز در سراسر تراشه شروع به درخشیدن می کند. در دستگاه بعدی، آن را آبی-بنفش می کنیم. کمی شبیه جادو است."
برودنیک میگوید کار آنها "پایهها را میگذارد و پتانسیل پلتفرم را نشان میدهد." ما مطمئناً برای بهینهسازی عملکرد طرحهای موجود کار خواهیم کرد، اما پلتفرم قابلیتهای جدید و دستگیرههای طراحی را باز میکند که ما مشتاق کشف آنها هستیم.»
بسیاری از برنامههای کاربردی که شامل واسط با انتقال اتمی میشوند،-فکر میکنند که سنجش و محاسبات کوانتومی-به نور در طول موجهایی نیاز دارند که پهنای باند موج مرئی و نزدیک-مادون قرمز را در بر میگیرد. برادنیک میگوید: «برنامههایی که نیاز به مسیریابی و روشن/خاموش کردن سریع نور دارند، مانند پردازش دادههای نوری و محاسبات، میتوانند از این پلتفرم نیز با استفاده از سایر قابلیتهای فیزیک که مواد ارائه میکنند بهره ببرند. "تکنولوژی نمایش مصرفکننده شاید یک برنامه کاربردی دیگر باشد. مطمئناً موارد بسیار دیگری وجود دارد که ما حتی فکرش را هم نکردهایم، که اکنون میتواند توسط جامعه علمی مورد بررسی و توسعه قرار گیرد."
برادنیک میگوید این تیم «معماری از معماریهای فوتونیکی هیجانانگیز در حال حاضر در مراحل طراحی دارد که به مجموعه کاملی از قابلیتهایی نیاز دارد که پلتفرم ما از آنها پشتیبانی میکند». "ما همچنین برای همکاری با همکاران و سایر محققانی که ایدهها و برنامههای جدیدی را برای ما به ارمغان میآورند که شاید در نظر نگرفتهایم یا به تخصص مشترک برای دنبال کردن آن نیاز نداریم، همکاری میکنیم. اوقات هیجانانگیز است."
