On-chip lyskilde producerer alsidigt udvalg af bølgelængder

Forskere har designet en ny chip-integreret lyskilde, der kan omdanne infrarøde bølgelængder til synlige bølgelængder, som har været svære at producere med teknologi baseret på siliciumchips. Denne fleksible tilgang til on-chip lysgenerering er klar til at muliggøre meget miniaturiseret fotonisk instrumentering, der er let at fremstille og robust nok til at bruge uden for laboratoriet.

I Optica , The Optical Society's (OSA) tidsskrift for forskning med høj effekt, efterforskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Maryland, og University of Colorado beskriver deres nye optiske parametriske oscillator (OPO) lyskilde og viser, at den kan producere udgangslys, der har en meget anden farve, eller bølgelængde, end indgangslyset. Ud over at skabe lys ved synlige bølgelængder, OPO genererer samtidig nær-infrarøde bølgelængder, der kan bruges til telekommunikationsapplikationer.

"Vores strømeffektive og fleksible tilgang genererer sammenhængende laserlys over en række bølgelængder, der er bredere end hvad der er tilgængeligt fra direkte chip-integrerede lasere, " sagde forskerholdsleder Kartik Srinivasan. "On-chip skabelsen af ​​synligt lys kan bruges som en del af meget funktionelle kompakte enheder såsom chip-baserede atomure eller enheder til bærbare biokemiske analyser. Udvikling af OPO i en siliciumfotonikplatform skaber potentialet for skalerbar fremstilling af disse enheder i kommercielle fabrikationsstøberier, hvilket kunne gøre denne tilgang meget omkostningseffektiv."

Udnyttelse af ikke-lineære processer

Selvom et materiales reaktion på lys typisk skaleres lineært, materialeegenskaber kan ændre sig hurtigere som reaktion på lys ved høj effekt, som skaber forskellige ikke-lineære effekter. OPO'er er en type laser, der bruger ikke-lineære optiske effekter til at skabe et meget bredt udvalg af output-bølgelængder.

Forskerne ønskede at finde ud af, hvordan man kan tage laseremission ved en bølgelængde, der er let tilgængelig med kompakte chiplasere og kombinere det med ikke-lineær nanofotonik for at generere laserlys ved bølgelængder, som ellers er svære at nå med siliciumfotonikplatforme.

"Ikke-lineære optiske teknologier bruges allerede som integrerede komponenter i lasere i verdens bedste atomure og mange laboratoriespektroskopisystemer, " sagde Xiyuan Lu, første forfatter af papiret og en NIST-University of Maryland postdoc. "At være i stand til at få adgang til forskellige typer ikke-lineær optisk funktionalitet, inklusive OPO'er, inden for integreret fotonik er vigtig for at omdanne teknologier, der i øjeblikket er baseret i laboratorier, til platforme, der er bærbare og kan implementeres i felten."

I det nye værk, forskerne designet en OPO baseret på en mikroring lavet af siliciumnitrid. Denne optiske komponent tilføres ca. 1 milliwatt infrarød lasereffekt - omtrent den samme mængde strøm, som findes i en laserpointer. Når lyset bevæger sig rundt i mikroringen, øges det i optisk intensitet, indtil det er kraftigt nok til at skabe en ikke-lineær optisk respons i siliciumnitrid. Dette muliggør frekvenskonvertering, en ikke-lineær proces, der kan bruges til at producere en output-bølgelængde, eller frekvens, det er forskelligt fra lyset, der går ind i systemet.

"Seneste fremskridt inden for nanofotonisk teknik har gjort denne metode til frekvenskonvertering meget effektiv, " sagde Lu. "Et vigtigt fremskridt i vores arbejde var at finde ud af, hvordan man kan fremme den specifikke ikke-lineære interaktion af interesse og samtidig undertrykke potentielle konkurrerende ikke-lineære processer, der kan opstå i dette system."

Test af lyskilden

Forskerne designet den nye on-chip lyskilde ved hjælp af detaljerede elektromagnetiske simuleringer. De lavede derefter enheden og brugte den til at konvertere 900 nanometer inputlys til 700 nanometer bølgelængde (synlig) og 1300 nanometer bølgelængde (telekommunikation) bånd. OPO'en opnåede dette ved at bruge mindre end 2 procent af den pumpelasereffekt, der kræves af tidligere rapporterede mikroresonator OPO'er udviklet til at generere vidt adskilte outputfarver. I de tidligere tilfælde, begge farver, der blev genereret, var i det infrarøde. Med et par enkle ændringer af mikroringens dimensioner, OPO producerede også lys i 780-nm synlige og 1500-nanometer telekommunikationsbånd.

Forskerne siger, at den nye OPO kunne bruges til at lave et komplet system ved at kombinere en billig kommerciel nær-infrarød diodelaser med en OPO-chip, der også integrerer komponenter som filtre, detektorer og et spektroskopisk snit. De fortsætter med at lede efter måder at øge udgangseffekten, der genereres fra OPO.

"Dette arbejde viser, at ikke-lineær nanofotonik er ved at nå et niveau af modenhed, hvor vi kan skabe et design, der forbinder vidt adskilte bølgelængder og derefter opnå tilstrækkelig fabrikationskontrol til at realisere dette design, og den forventede præstation, i praksis, sagde Srinivasan. Fremad, det burde være muligt at generere en bred vifte af ønskede bølgelængder ved hjælp af et lille antal kompakte chiplasere kombineret med fleksibel og alsidig ikke-lineær nanofotonik."