Optiske bølgeledermikroresonatorer skabt af professor Won Parks gruppe ved University of Colorado Boulder sparker døren til nye-chipsensorteknologier på vid gab.
Disse små optiske sensorer fanger lys på-chip og opbygger dets intensitet-og deres høje-Q faktor og ikke-linearitet gør dem ideelle til applikationer såsom lasere med smal-linjebredde via stimuleret Brillouin- og Raman-spredning, frekvenskamgenerering eller kvanteinformationsbehandling.
"Vi er interesserede i at udforske ikke-lineær optik med nye materialer-i vores tilfælde, chalcogenider, som er kendt for deres lange bølgelængdegennemsigtighed, høje ikke-linearitet og en amorf natur, der har integrationsmuligheder med andre materialer såsom lithiumniobat og siliciumnitrid," forklarer Park, professor i elektroteknik.
Euler?
Gruppens optiske bølgeledermikroresonatordesign er baseret på Euler "U"-bøjninger, som tillader lys at forblive inde i mikroresonatoren i omkring 3 nanosekunder (i løbet af 3-ns fotons levetid rejser lyset omkring en halv meter eller næsten tusinde rundturer). Dette øger enhedernes vejlængde og muliggør ikke-lineære optiske interaktioner. Det giver i det væsentlige forskerne kontrol over bøjningstabet, der er iboende i mikroresonatorer, og muliggør enheder med ultralavt-tab svarende til andre-state-materialeplatforme.
Simuleringer var afgørende for at identificere, hvorfor traditionelle resonatorer mister så meget lys. "Vi brugte COMSOL Multiphysics til at beregne tilstandsfeltfordelinger og udføre overlapningsintegraler," siger Park. "Dette gjorde det muligt for os at lokalisere et 'sweet spot' ved krydset, hvor de lige og buede bølgeledere mødes. Vi brugte også FDTD-simuleringer til at modellere, hvordan lys forplanter sig gennem Euler-kurverne for at sikre, at vi kunne undertrykke excitation i højere-ordenstilstand, som typisk plager disse små-fodaftryksenheder."
Gruppen designede faktisk strukturerne til et andet eksperiment og var meget overrasket over at opdage høje-Q faktorer, de siden har gentaget i to forskellige renrum.
"Vores 'aha'-øjeblik var at indse, at vi ved at bruge Euler-kurver-hvor krumningen ændrer sig lineært- i det væsentlige kunne 'narre' lyset til at forblive i den grundlæggende tilstand på trods af meget snævre bøjninger," siger Park. "Det var utroligt givende at se vores eksperimentelle resultater matche den teoretiske iboende kvalitetsfaktor på 4,55 × 106. At opnå det højeste ikke-lineære merittal rapporteret for chalcogenid PIC'er er kirsebæret på toppen."
Litografi udfordring
For at nå dertil måtte gruppen først udvikle en elektronstrålelitografisk mønsterproces for deres materiale, fordi traditionel litografi, der bruger fotoner, er begrænset af lysets bølgelængde.
Den største hindring involveret? Materiale følsomhed. "Chalcogenider kan lide af overfladeoxidation og urenhedsrelateret-absorption," siger Park. "I et forsøg ledet af to kandidatstuderende, Bright Lu og James Erikson, overvandt vi dette ved at bruge en vakuumudglødningsproces ved 250 grader for at forbedre materialets homogenitet og reducere overfladeruheden. Vi var også nødt til at kalibrere vores bortrichlorid (BCl) præcist.3) og argon (Ar) gasblanding under den induktivt koblede plasma reaktive ionætsning (ICP RIE) for at sikre glatte sidevægge, hvilket er afgørende for at opretholde 'ultrahøjt-Q'præstation."
'Schweizisk hærkniv' til PIC'er
Disse resonatorer er beslægtet med "en schweizisk hærkniv til PIC'er," siger Park. "På grund af den høje-Qfaktor og ikke-linearitet er de perfekte til en lang række applikationer, såsom lasere med smal-linjebredde via stimuleret Brillouin- og Raman-spredning, frekvenskamgenerering til metrologi og telekommunikation eller kvanteinformationsbehandling, hvor lave-tab på-chipkomponenter ikke er til forhandling."
Nu hvor Parks gruppe har bevist platformens lave-tabsegenskaber (0,43 dB/m absorptionstab), ser de den ultimative tabsgrænse. "Vi udvider også bølgelederne yderligere for at bevæge os mod 'materiale-begrænset' ydeevne, hvilket potentielt kan skubbe voresQ-faktorer endnu højere og muliggør endnu mere effektive ikke-lineære interaktioner," siger han.
YDERLIGERE LÆSNING
