En ultrahurtig og højtydende ikke-lineær splitter baseret på lithiumniobat

Optik, teknologier, der udnytter lysets adfærd og egenskaber, er grundlaget for mange eksisterende teknologiske værktøjer, især fiberkommunikationssystemer, der muliggør lang- og kortdistance højhastighedskommunikation mellem enheder. Optiske signaler har en høj informationskapacitet og kan transmitteres over længere afstande.

Forskere ved California Institute of Technology har for nylig udviklet en ny enhed, der kan hjælpe med at overvinde nogle af begrænsningerne ved eksisterende optiske systemer. Denne enhed, introduceret i et papir udgivet i Nature Photonics , er en lithium-niobat-baseret enhed, der kan skifte ultrakorte lysimpulser ved en ekstremt lav optisk pulsenergi på snesevis af femtojoule.

"I modsætning til elektronik mangler optik stadig effektivitet i de nødvendige komponenter til databehandling og signalbehandling, hvilket har været en stor barriere for at frigøre optikkens potentialer for ultrahurtige og effektive databehandlingssystemer," sagde Alireza Marandi, ledende forsker for undersøgelsen, til Phys.org . "I de sidste par årtier har der været dedikeret betydelige bestræbelser på at udvikle helt optiske kontakter, der kunne løse denne udfordring, men de fleste af de energieffektive designs led under langsomme koblingstider, primært fordi de enten brugte høj-Q-resonatorer eller bærer- baseret ikke-lineariteter."

Hovedformålet med den nylige undersøgelse af Marandi og hans kolleger var at udnytte den iboende ikke-linearitet af lithiumniobat til at udvikle en højtydende optisk switch. De ønskede, at denne omskifter skulle være ultrahurtig (i femtosekundområdet) og fungere i det ultralave (dvs. femtojoule) energiregime.

Da forskerne designet deres enhed, integrerede forskerne ingen resonatorer. I stedet introducerede de to nøgleelementer, der forbedrede deres enheds switchydeevne, både hvad angår energiforbrug og hastighed.

"For det første bruger vi den spatio-temporale indeslutning af lys i nanobølgeledere til at forbedre de ikke-lineære interaktioner, fordi styrken af ​​parametriske ikke-lineære processer afhænger af spidsintensiteten," sagde Marandi. "Denne spatio-temporale indeslutning var mulig i nanaofotonisk lithiumniobat på grund af bølgeledernes nanoskala tværsnit og muligheden for spredningsteknik, som tillader femtosekundpulser at forblive korte, når de forplanter sig gennem nanoskalabølgelederen."

Det andet karakteristiske træk ved enheden skabt af Marandi og hans kolleger er, at dens ikke-lineære interaktioners kvasi-fase-matchning blev konstrueret. Mere specifikt designet og ændrede holdet den krystallografiske orientering af lithiumniobat langs dets nanobølgeledere.

"Vi bruger et periodisk mønster med en kunstig defekt i midten, som deterministisk skifter den ikke-lineære proces fra anden harmonisk generation (SHG) til optisk parametrisk forstærkning (OPA)," Qiushi Guo, en postdoktor og hovedforfatter af papiret forklaret. "Ved at tilføje en bølgelængdeselektiv kobler før denne defekt, da lavenergi-inputimpulser ikke fører til effektiv SHG i den første halvdel af bølgelederen, vil de blive droppet af den lineære kobler. Imidlertid fører højenergiimpulser til effektiv SHG før kobleren og vil derfor ikke blive droppet af kobleren, fordi inputenergien vil blive lagret i inputtets anden harmoniske bølgelængde. Efter defekten vender OPA-processen signalet tilbage til inputbølgelængden."

I de indledende evalueringer fandt forskerne ud af, at deres design muliggjorde ultrahurtig alt-optisk skift, mens de kun forbrugte femtojoules energi. Specifikt opnåede deres enhed ultralave koblingsenergier ned til 80 fJ, med en hurtigste koblingstid på ~46 fs og et laveste energitidsprodukt på 3,7 × 10 ⁻²⁷ J s i integreret fotonik.

"Vores enhedsdesign er meget forskelligt fra de tidligere optiske switches, mest på grund af den måde, vi konstruerede kvasi-fase-tilpasningen på, og hvordan vi kunne bruge ultrakorte impulser, og den resulterende ydeevne er ekstraordinær," sagde Marandi. "Dette er en af ​​de mest optimale måder at realisere en ikke-lineær optisk splitter på. Men vi er ikke vant til at tænke informationsbehandling på denne måde. For eksempel til kommunikation er den mest udbredte måde at pakke information på optiske signaler på. bølgelængde-multipleksing, hvilket ikke er rigtigt kompatibelt med denne omskiftningsmekanisme."

Switchen skabt af forskerne er særligt velegnet til det, der er kendt som time-division multiplexing, en teknik til at pakke information ind i et optisk signal til kommunikation og informationsbehandling. Enhedens evne til at understøtte denne multipleksingsplan kunne åbne hidtil usete muligheder på dette område ved at udnytte optikkens ultrahurtige hastighed og andre fordelagtige kvaliteter.

"Informationsbehandling med THz-klokkeslæt kan være en af ​​de vigtige implikationer af vores arbejde," sagde Marandi. "Mulighederne inden for ultrahurtig lithiumniobat nanofotonik er overvældende."

Det seneste arbejde fra dette hold af forskere viser det enorme potentiale af integrerede ikke-lineære fotoniske enheder. I fremtiden kan det hjælpe at gentænke designet af fotoniske og optiske teknologier på både enheds- og systemniveau.

I deres næste undersøgelser planlægger Marandi og hans kolleger at fortsætte med at udvikle højtydende enheder med unikke og innovative funktionaliteter. Deres håb er at bidrage til skabelsen af ​​storskala, ultrahurtige nanofotoniske kredsløb og systemer.

"Vi er også begejstrede for at bruge vores ikke-lineære splitter som kernen i en integreret mode-låst laser," tilføjede Marandi. "Splitteren kan fungere som en 'mættelig absorber', som er hovedbyggestenen til passiv tilstandslåsning og har været udfordrende at opnå i integreret fotonik. Den effektive mættede absorption i vores enhed har en ekstraordinær hastighed og energieffektivitet, og dens Designet er kompatibelt med integrerede lasere." + Udforsk yderligere

Ny optisk switch kan føre til ultrahurtig optisk signalbehandling

© 2022 Science X Network