Sammenhængende racerbaner gør ny optisk enhed mulig

Da vi sidst tjekkede ind hos Caltechs Kerry Vahala for tre år siden, havde hans laboratorium for nylig rapporteret udviklingen af ​​en ny optisk enhed kaldet en nøglefærdig frekvensmikrokam, der har anvendelser inden for digital kommunikation, præcisionstid, spektroskopi og endda astronomi.

Denne enhed, fremstillet på en siliciumwafer, tager input-laserlys af én frekvens og konverterer det til et jævnt fordelt sæt af mange forskellige frekvenser, der danner et tog af pulser, hvis længde kan være så kort som 100 femtosekunder (kvadrilliontedele af et sekund). (Kammen i navnet kommer fra, at frekvenserne er fordelt som tænderne på en hårkam.)

Nu har Vahala, Caltechs Ted og Ginger Jenkins professor i informationsvidenskab og teknologi og anvendt fysik og administrerende direktør for anvendt fysik og materialevidenskab, sammen med medlemmer af hans forskningsgruppe og gruppen af ​​John Bowers ved UC Santa Barbara, fået et gennembrud i måden de korte pulser dannes på i et vigtigt nyt materiale kaldet ultra-low-tab siliciumnitrid (ULL-nitrid), en forbindelse dannet af silicium og nitrogen. Siliciumnitridet er forberedt til at være ekstremt rent og aflejret i en tynd film.

I princippet vil kortpulsede mikrokam-enheder fremstillet af dette materiale kræve meget lav effekt for at fungere. Desværre kan korte lysimpulser (kaldet solitoner) ikke genereres korrekt i dette materiale på grund af en egenskab kaldet dispersion, som får lys eller andre elektromagnetiske bølger til at rejse med forskellige hastigheder, afhængigt af deres frekvens. ULL har det, der er kendt som normal spredning, og dette forhindrer bølgeledere lavet af ULL-nitrid i at understøtte de korte impulser, der er nødvendige for mikrokamdrift.

I et papir, der vises i Nature Photonics , diskuterer forskerne deres udvikling af den nye mikrokam, som overvinder de iboende optiske begrænsninger af ULL-nitrid ved at generere pulser i par. Dette er en væsentlig udvikling, fordi ULL-nitrid er skabt med den samme teknologi, der bruges til fremstilling af computerchips. Denne form for fremstillingsteknik betyder, at disse mikrokamme en dag kan integreres i en lang række håndholdte enheder, der i form ligner smartphones.

Det mest karakteristiske træk ved en almindelig mikrokam er en lille optisk sløjfe, der ligner en lillebitte racerbane. Under driften dannes og cirkulerer solitonerne automatisk omkring den.

"Men når denne sløjfe er lavet af ULL-nitrid, destabiliserer spredningen soliton-impulserne," siger medforfatter Zhiquan Yuan, en kandidatstuderende i anvendt fysik.

Forestil dig løkken som en racerbane med biler. Hvis nogle biler kører hurtigere, og nogle kører langsommere, så vil de sprede sig, når de kredser om banen i stedet for at blive som en tæt pakke. På samme måde betyder den normale spredning af ULL lysimpulser spredt ud i mikrokammens bølgeledere, og mikrokammen holder op med at arbejde.

Løsningen udtænkt af teamet var at skabe flere racerbaner, parre dem, så de ligner lidt et ottetal. Midt i den '8' løber de to numre parallelt med hinanden med kun et lille mellemrum.

Hvis vi fortsætter med racerbaneanalogien, ville det være som to baner, der deler en med det samme. Efterhånden som bilerne fra hver bane konvergerer på den delte sektion, støder de på noget som en trafikprop. Ligesom to vejbaner, der smelter sammen til én på en motorvej, tvinger biler til at sænke farten, tvinger den sammenkoblede sektion af de to mikrokamme de parrede laserimpulser til at samle sig. Denne opsamling modvirker pulsernes tendens til at sprede sig og tillader mikrokammene at fungere korrekt.

"Det modvirker faktisk den normale spredning og giver det overordnede sammensatte system det, der svarer til unormal spredning," siger kandidatstuderende og medforfatter Maodong Gao.

Ideen strækker sig, når man tilføjer endnu flere racerbaner, og teamet har vist, hvordan tre racerbaner også vil fungere ved at skabe to sæt pulspar. Vahala mener, at fænomenet vil fortsætte med at fungere selv med mange koblede racerbaner (mikrokomber), og derved tilbyde en måde at skabe store fotoniske kredsløbsarrays for soliton-pulserne.

Som nævnt ovenfor er disse ULL mikrokamme fremstillet med det samme udstyr, der bruges til at fremstille computerchips baseret på komplementær metal-oxid-halvleder (CMOS) teknologi. Bowers, en professor i elektro- og computerteknik, samarbejdede om forskningen og bemærker, at "Produktionsskalerbarheden af ​​CMOS-processen betyder, at det nu bliver nemmere og mere økonomisk at fremstille de kortpulsede mikrokamme og integrere dem i eksisterende teknologier og applikationer. ."

Med hensyn til disse applikationer siger Vahala "en kam er som en schweizisk hærkniv til optik. Den har mange forskellige funktioner, og det er derfor, den er så kraftfuldt et værktøj."

Papiret, der beskriver forskningen, "Soliton pulse pars at multiple colors in normal dispersion microresonators," vises i novemberudgaven af ​​Nature Photonics .

Flere oplysninger: Zhiquan Yuan et al., Soliton-pulspar ved flere farver i mikroresonatorer med normal dispersion, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01257-2

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af California Institute of Technology