Els microresonadors de guia d'ona òptica creats pel grup del professor Won Park a la Universitat de Colorado Boulder estan obrint la porta a noves tecnologies de sensors de-xip.
Aquests petits sensors òptics atrapen la llum al-xip i augmenten la seva intensitat-i el seu alt-Q el factor i la no linealitat els fan ideals per a aplicacions com ara làsers d'amplada de línia estreta-a través de la dispersió Brillouin i Raman estimulada, la generació de pintes de freqüència o el processament d'informació quàntica.
"Estem interessats a explorar l'òptica no lineal amb nous materials-en el nostre cas, els calcogenurs, coneguts per la seva transparència de longitud d'ona llarga, alta no linealitat i naturalesa amorfa que tenen possibilitats d'integració amb altres materials com el niobat de liti i el nitrur de silici", explica Park, professor d'enginyeria elèctrica.
Euler?
El disseny del microresonador de guia d'ona òptica del grup es basa en corbes en "U" d'Euler, que permeten que la llum romangui dins del microressonador durant uns 3 nanosegons (durant la vida útil del foton de 3-ns, la llum viatja aproximadament mig metre o gairebé mil viatges d'anada i tornada). Això augmenta la longitud del camí dels dispositius i permet interaccions òptiques no lineals. Bàsicament, ofereix als investigadors el control de la pèrdua de flexió inherent als microressonadors i permet dispositius de pèrdua-ultrabaixes similars a altres plataformes de materials-de-última generació.
Les simulacions van ser fonamentals per identificar per què els ressonadors tradicionals perden tanta llum. "Hem utilitzat COMSOL Multiphysics per calcular distribucions de camp de mode i realitzar integrals de superposició", diu Park. "Això ens va permetre identificar un "punt dolç" a la cruïlla on es troben les guies d'ona rectes i corbes. També vam utilitzar simulacions FDTD per modelar com es propaga la llum a través de les corbes d'Euler per assegurar-nos que podríem suprimir l'excitació en mode d'ordre més alt-que normalment afecta aquests dispositius de petit-empremta".
En realitat, el grup va dissenyar les estructures per a un altre experiment i es va sorprendre molt de descobrir alt-Q factors que han repetit des de llavors en dues sales netes diferents.
"El nostre moment "aha" va ser adonar-nos que utilitzant les corbes d'Euler-on la curvatura canvia linealment-essencialment podríem "enganyar" la llum perquè es mantingués en el mode fonamental malgrat les corbes molt estretes", diu Park. "Va ser increïblement gratificant veure que els nostres resultats experimentals coincideixen amb el factor de qualitat intrínsec teòric de 4,55 × 106. Aconseguir la xifra de mèrit no lineal més alta reportada per als PIC de calcogenur és la cirera a sobre".
Repte de litografia
Per arribar-hi, el grup primer va haver de desenvolupar un procés de modelació litogràfica de feix d'electrons per al seu material, perquè la litografia tradicional que utilitza fotons està limitada per la longitud d'ona de la llum.
Principal obstacle implicat? Sensibilitat material. "Els calcògenurs poden patir una oxidació superficial i una absorció relacionada amb la impuresa-", diu Park. "En un esforç dirigit per dos estudiants de postgrau, Bright Lu i James Erikson, ho vam superar mitjançant un procés de recuit al buit a 250 graus per millorar l'homogeneïtat del material i reduir la rugositat de la superfície. També necessitàvem calibrar amb precisió el nostre triclorur de bor (BCl).3) i la barreja de gasos argó (Ar) durant el gravat d'ions reactius de plasma acoblat inductivament (ICP RIE) per garantir parets laterals llises, la qual cosa és vital per mantenir "ultraalta-Q'actuació".
'Navalla suïssa' per a PIC
Aquests ressonadors són semblants a "un ganivet de l'exèrcit suís per a PIC", diu Park. "A causa de l'alt-Qfactor i no linealitat, són perfectes per a una gran varietat d'aplicacions, com ara làsers-d'amplada de línia estreta mitjançant la dispersió Brillouin i Raman estimulada, la generació de pintes de freqüència per a metrologia i telecomunicacions, o processament d'informació quàntica on no es poden negociar components de xip-baixa pèrdua de-".
Ara que el grup de Park ha demostrat les capacitats de pèrdua de baixa-plataforma (pèrdua d'absorció de 0,43 dB/m), estan buscant el límit de pèrdua final. "També estem ampliant encara més les guies d'ona per avançar cap a un rendiment "material-limitat", que podria impulsar el nostreQ-factors encara més alts i permeten interaccions no lineals encara més eficients", diu.
MÉS LECTURA
