Les longituds d'ona làser necessàries per a molts dels experiments més intrigants d'avui, especialment dins del rang visible, són un repte per obtenir petits circuits integrats fotònics (PIC). Però els investigadors i col·legues de fotònica de l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia (NIST) dels Estats Units d'Octave Photonics estan liderant una solució a aquest problema d'accés a la longitud d'ona-i també aborden els reptes per unir diferents funcions fotòniques per donar suport a la commutació òptica, l'encaminament i el filtratge.
Un enfocament comú avui en dia és combinar diferents materials fotònics per intentar habilitar aquestes diferents funcions i aprofitar les forces on existeixen, però cap material únic pot fer-ho a totes les escales desitjades per desenvolupar noves aplicacions.
"El nostre treball es va inspirar en l'elevat objectiu d'aconseguir" qualsevol làser de longitud d'ona ", amb compatibilitat directa amb les tecnologies fotòniques existents", diu Grant M. Brodnik, físic del grup de nanofotònica quàntica i no lineal del NIST. "I vam demostrar altres funcionalitats com les pintes de freqüència i la generació de supercontinu, perquè la plataforma les admet directament. Aquestes capacitats tenen un paper clau en moltes aplicacions importants".
Gràcies, òptica no lineal
Per assolir la velocitat que exigeixen la intel·ligència artificial (IA) i les aplicacions quàntiques, és fonamental un canvi dels electrons als fotons-i també ho són els làsers de "qualsevol longitud d'ona" a escala de xips.
Una breu explicació del nou enfocament de l'equip: comença amb una hòstia de silici estàndard recoberta de diòxid de silici (vidre) i niobat de liti, un material no lineal que pot alterar el color de la llum que hi entra. Si hi afegim metall, el niobat de liti es pot marcar elèctricament-per convertir un color de llum en altres. Les interfícies similars de niobat de metall-liti poden permetre l'encesa i l'apagada ràpida de la llum (penseu en l'encaminament i el processament de dades d'alta-velocitat).
Dipositar patrons complexos de pentòxid de tàntal, també conegut com a tantala, directament a sobre dels altres circuits fotònics permet que les plataformes fotòniques versàtils funcionin en concert. Tantala és un material no lineal fort i s'adapta bé al funcionament de longitud d'ona visible. "Críticament, té propietats materials atractives (relacionades amb la seva fabricació) que el fan susceptible d'integrar-se directament amb altres materials fotònics", diu Brodnik.
Quan els investigadors van modelar els materials els uns sobre els altres en una pila 3D, van acabar amb un únic xip que encamina la llum de manera eficient entre les capes. Aquest xip combina les habilitats de manipulació de la llum de tantala amb la controlabilitat del niòbat de liti.
L'òptica no lineal és la física ara "no{--de salsa secreta" que aprofiten "per fer colors de llum completament nous amb l'únic color que posem", explica Brodnik. "Si feu una foto amb una càmera, no espereu que els colors de la imatge canviïn en passar per una lent. Però amb materials no lineals amb altes potències òptiques proporcionades pels làsers, és exactament el que passa. És una tècnica clau que alimenta els làsers a escala-taula que fa molts colors personalitzats avui. Utilitzem aquestes tècniques-però amb un circuit de mida petita i fotònica".
L'aspecte més interessant d'aquest treball per a Brodnik és veure "els colors de llum nous, sovint enlluernadors, surten dels nostres dispositius convertint la llum d'entrada (que és invisible als nostres ulls)", diu. "Al laboratori, amb un xip assegut en una fase de prova, marquem lentament els paràmetres de funcionament i, boom, un blau-verd vibrant comença a brillar a través del xip. Al dispositiu següent, el fem blau-violat. Sembla una mica màgic".
El seu treball "posa les bases i demostra el potencial de la plataforma", diu Brodnik. "Sens dubte, treballarem per optimitzar el rendiment dels dissenys existents, però la plataforma desbloqueja noves funcionalitats i botons de disseny que estem encantats d'explorar".
Moltes aplicacions que impliquen interfície amb transicions atòmiques-pensen que la detecció i la computació quàntica-requereixen llum a longituds d'ona que abasten les bandes d'ona visible i infraroja propera-. "Les aplicacions que necessiten encaminar i apagar la llum ràpidament, com ara el processament de dades òptiques i la informàtica, també es poden beneficiar de la plataforma aprofitant altres funcionalitats físiques que proporcionen els materials", diu Brodnik. "La tecnologia de visualització de consumidors és potser una altra aplicació. Segurament n'hi ha moltes més-que ni tan sols hem pensat, que ara poden ser considerades i desenvolupades per la comunitat científica".
L'equip té "un grapat d'arquitectures fotòniques emocionants actualment en fase de disseny, que requereixen una sèrie completa de capacitats que admet la nostra plataforma", diu Brodnik. "També estem emocionats de col·laborar amb col·legues i altres investigadors que ens han estat aportant noves idees i aplicacions que potser no hem considerat o necessitem una experiència compartida per seguir. Temps emocionants".
