Forbedret frekvensfordobling tilføjer fotonikværktøjssættet

Den digitale tidsalder har set elektronik, inklusive computerchips, krympe i størrelse med en fantastisk hastighed, med stadigt mindre chips, der driver enheder som smartphones, bærbare computere og endda autonome droner. I kølvandet på dette fremskridt, en anden miniatureteknologi er ved at vinde frem:integreret fotonik.

Fotoner, som er lysets kvantepartikler, har nogle fordele i forhold til elektroner, elektronikkens navnebrødre. For nogle applikationer, fotoner tilbyder hurtigere og mere præcis informationsoverførsel og bruger mindre strøm end elektroner. Og fordi on-chip fotonik stort set er bygget ved hjælp af den samme teknologi skabt til elektronikindustrien, de bærer løftet om at integrere elektronik og fotonik på den samme chip.

Små fotoniske chips er allerede blevet vedtaget mange steder, herunder telekommunikationsnetværk (tænk fiberoptisk internet) og store datacentre (tænk interface fiberoptik med elektronik). Andre industrier er ved at drage fordel af fotonik, med selvkørende bilproducenter, der udvikler lysbaserede radarchips. Imidlertid, mange værktøjer, der er veletablerede i traditionel optik - ting, der bruger lasere, linser og andet omfangsrigt udstyr - har endnu ikke en kompakt fotonisk analog. Til futuristiske værktøjer som lysbaserede kvantecomputere eller bærbare optiske ure, der er mere arbejde tilbage for at pakke alt sammen.

Nu, forskere ved JQI har tilføjet et nyt værktøj til fotonikværktøjssættet:en måde at bruge silicium på, det oprindelige materiale for meget af digital elektronik og fotonik, for effektivt at fordoble frekvensen af ​​laserlys. Ved at kombinere to eksisterende teknikker, holdet opnåede en frekvens, der fordoblede effektiviteten 100 gange større end tidligere eksperimenter med siliciumforbindelser. De detaljerede deres resultater i et papir offentliggjort i tidsskriftet Naturfotonik .

Lysbølger består af fotoner, men de har også en frekvens. Vores øjne ser en lille brøkdel af disse frekvenser som regnbuens farver, men mikrobølger, Røntgenstråler og radiobølger (blandt andre) findes også i dette spektrum. En fordobling af lysets frekvens er en måde at konvertere mellem disse forskellige områder. I det nye værk, holdet demonstrerede en fordobling af infrarødt lys - almindeligvis brugt i optisk telekommunikation - til rødt lys, sproget i meget præcise atomure.

Frekvensfordobling er en effekt, der kan opstå, når lys interagerer med mediet, det bevæger sig igennem, det være sig luft, vand eller silicium. Afhængigt af disse materialers egenskaber, en lille smule af lyset kan fordobles, tredoblet, eller, i ekstreme tilfælde, multipliceret til endnu højere grader, som en musikalsk note, der også genererer en smule lyd, to, eller flere oktaver op. Ved at vælge det rigtige materiale, og belyse det på den rigtige måde, forskere kan få den harmoniske, de har brug for.

Desværre, silicium og siliciumforbindelser - de valgte materialer til at dirigere lys på en chip på grund af modenheden af ​​siliciumfremstilling og letheden ved at integrere med elektronik - understøtter ikke i sig selv frekvensfordobling. Krystalstrukturen er for ensartet, hvilket betyder, at det ser ens ud i alle retninger. Dette forbyder fordoblingseffekten, som er afhængig af, at elektroner i materialet skifter den ene vej mere end den anden under påvirkning af lys. Men når først lyset er begrænset til et lille spor på en chip, tingene bliver lidt mindre ensartede:Når alt kommer til alt, luften er altid i nærheden, og det ligner slet ikke en siliciumkrystal. Så, en lille mængde frekvens fordoblet lys bliver genereret, men normalt er det ikke nok at være nyttig.

I det nye værk, et hold ledet af JQI Fellow Kartik Srinivasan, en Fellow fra National Institute of Standards and Technology (NIST), og NIST og UMD postdoc-forsker Xiyuan Lu, kombinerede to tidligere undersøgte teknikker for at bygge videre på denne lille effekt, generere 100 gange mere frekvens fordoblet lys end nogen tidligere silicium eksperimenter. Derudover deres fordobling skete med en effektivitet på 22 %, bemærkelsesværdig nok til at være nyttig i applikationer.

Det første trick var at fange lyset i en resonator, få lyset til at gå rundt og rundt og udløse den lille fordoblingseffekt igen og igen. For at opnå dette, forskerne dirigerede først nær-infrarødt laserlys ind i en optisk fiber. Fiberen skød derefter lyset ind i en siliciumnitridbølgeleder trykt på en siliciumchip. Denne bølgeleder førte til en anden bølgeleder, som blev pakket ind i en cirkel på kun 23 mikrometer i diameter. Den cirkulære resonator, som blev konstrueret til at fange det indkommende lys og cirkulere det rundt, tillod en lille smule frekvensfordobling at ske igen og igen. En anden lige bølgeleder, på den anden kant af resonatoren, blev indstillet til at bortføre det frekvens-doblede lys.

Det andet trick var at gøre siliciumet mindre ensartet ved at forspænde det med et elektrisk felt. Heldigvis intet eksternt felt var faktisk nødvendigt - den lille mængde frekvens fordoblet lys, kombineret med det originale infrarøde pumpelys, fik elektronerne i resonatoren til at samle sig ved kanterne, skabe et konstant elektrisk felt. Dette felt forbedrede i høj grad frekvensfordoblingskapaciteten af ​​siliciumnitrid.

"Det er en feedbackproces, " siger Srinivasan, "fordi en lille smule frekvens fordoblet lys og pumpelys begynder at skabe det konstante elektriske felt, gør frekvensfordoblingsprocessen stærkere, hvilket igen skaber mere frekvens fordoblet lys. Så både pumpelyset og det dobbelte frekvenslys cirkulerer rundt i denne ring, og der er denne enorme evne til at tage denne ting, der startede som ekstremt svag, og så faktisk gøre det til en ret stærk effekt."

Det var ikke nemt at få begge disse effekter til at virke i den samme enhed. Ikke nok med at resonatorringen skal have nøjagtig den rigtige størrelse for at fange pumpen og frekvensfordoblet lys, lyset skal også stables op på den rigtige måde i resonatoren. For at opnå dette, detaljerede simuleringer og præcis fremstilling i et rent rum er nødvendigt. Men når en sådan præcis enhed er fremstillet, alt du skal gøre er at sende pumpelys ind, og observer frekvens fordoblet lys ved udgangen.

"For at muliggøre effektiv interaktion mellem lys og materialet, lys af forskellige farver skal leve længe og også bevæge sig med nøjagtig samme hastighed, " siger Lu, "Vores enhed implementerer disse to nøglefaktorer i foto-induceret frekvensfordobling, hvilket øger energieffektiviteten i denne proces markant."

Denne enhed er endnu et skridt i en lang søgen efter at opnå en bærbar, ultra-præcis atomur. "Disse optiske ure er disse fantastiske tidtagningsenheder, men normalt er de i et stort laboratorium, " siger Srinivasan. "Hvis det kunne være i en lille pakke, kunne det gå på biler eller droner eller andre køretøjer. Timing ligger til grund for en masse vigtige navigationsapplikationer, og for det meste, nu, folk stoler på GPS-signaler. Men der er alle mulige muligheder for, at der kan være noget i vejen, og du kan ikke opnå de signaler, eller nogen forfalsker signalet. Så, Det er meningsfuldt at have bærbare tidsinstrumenter, der virkelig kunne give dig præcis og præcis tid til lange strækninger, før du har brug for et synkroniseringssignal fra GPS."

Selvom det ikke er stjernen i showet, frekvensfordobling er en nødvendig komponent i optiske atomure. Disse ure producerer et ekstremt regelmæssigt beat, men ved optiske frekvenser - hundreder af billioner af lysfeltsvingninger i sekundet. Konventionel elektronik kan ikke interface med det signal direkte, så for at bringe denne præcision ned til en forståelig frekvens (blot milliarder af svingninger pr. sekund) bruger videnskabsmænd frekvenskamme – laserkilder med frekvens-"tænder" med helt regelmæssige intervaller, en opfindelse, der vandt Nobelprisen i fysik i 2005.

For at være nyttig, disse frekvenskamme skal kalibreres – hver tand i kammen skal mærkes med en bestemt frekvensværdi. Den enkleste og mest almindelige måde at kalibrere dem på er at tage den laveste tand i kammen, frekvens fordoble det, og sammenlign med den højeste tand:dette giver frekvensen af ​​den laveste tand. Sammen med en simpel måling af afstanden mellem tænderne, videnskabsmænd kan bruge dette til at udlede den nøjagtige frekvens af hver tand.

For nylig, flere stykker af on-chip atomure, inklusive små atomare dampceller og on-chip frekvenskamme, er opnået i siliciumbaseret fotonik. Imidlertid, frekvensfordoblingskalibreringen blev tidligere udført med voluminøs optik eller med materialer, der er mindre kompatible med silicium. "I det mindste konceptuelt, " siger Srinivasan, "vi er et skridt tættere på en kalibreret frekvenskam i en virkelig kompakt pakke. Der er stadig arbejde at gøre for virkelig at kunne sætte disse ting sammen, men vi er tættere på et kompakt optisk atomur, end vi var før."