Panjang gelombang laser yang diperlukan untuk banyak eksperimen paling menarik saat ini, terutama dalam rentang cahaya tampak, merupakan tantangan untuk mendapatkan sirkuit terpadu fotonik (PIC) yang kecil. Namun para peneliti fotonik dari Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST) AS dan rekannya di Octave Photonics mempelopori solusi terhadap masalah akses panjang gelombang ini-dan juga mengatasi tantangan untuk menyatukan berbagai fungsi fotonik untuk mendukung peralihan, perutean, dan pemfilteran optik
Salah satu pendekatan umum saat ini adalah menggabungkan material fotonik yang berbeda untuk mencoba mengaktifkan berbagai fungsi dan memanfaatkan kekuatan jika ada, namun tidak ada satu material pun yang dapat melakukannya pada semua skala yang diinginkan untuk menerapkan aplikasi baru.
“Pekerjaan kami terinspirasi oleh tujuan mulia untuk mencapai 'laser dengan panjang gelombang apa pun', dengan kompatibilitas langsung dengan teknologi fotonik yang ada,” kata Grant M. Brodnik, fisikawan di Quantum and Nonlinear Nanophotonics Group NIST. “Dan kami mendemonstrasikan fungsi lain seperti sisir frekuensi dan pembangkitan superkontinuum, karena platform mendukungnya secara langsung. Kemampuan ini memainkan peran penting dalam banyak aplikasi penting.”
Terima kasih, optik nonlinier
Untuk mencapai kecepatan kecerdasan buatan (AI) dan permintaan aplikasi kuantum, peralihan dari elektron ke foton sangatlah penting-begitu juga dengan laser skala chip dengan panjang gelombang berapa pun.
Penjelasan singkat tentang pendekatan baru tim ini: Ini dimulai dengan wafer silikon standar yang dilapisi dengan silikon dioksida (kaca) dan lithium niobate, bahan nonlinier yang dapat mengubah warna cahaya yang masuk. Penambahan logam memungkinkan litium niobate dihubungkan secara elektrik-untuk mengubah satu warna cahaya menjadi warna lain. Antarmuka logam-lithium niobate yang serupa dapat memungkinkan peralihan cahaya secara cepat (misalnya perutean-kecepatan tinggi dan pemrosesan data).
Menyimpan pola kompleks tantalum pentoksida, alias tantala, langsung di atas sirkuit fotonik lainnya memungkinkan platform fotonik serbaguna untuk beroperasi secara bersamaan. Tantala adalah material nonlinier yang kuat dan sangat cocok untuk pengoperasian panjang gelombang tampak. “Yang terpenting, ia memiliki sifat material yang menarik (terkait dengan fabrikasinya) yang membuatnya dapat diintegrasikan secara langsung dengan material fotonik lainnya,” kata Brodnik.
Ketika para peneliti membuat pola material di atas satu sama lain dalam tumpukan 3D, mereka mendapatkan satu chip yang secara efisien mengarahkan cahaya antar lapisan. Chip ini menggabungkan kemampuan manipulasi cahaya tantala dengan kemampuan pengendalian lithium niobate.
Optik nonlinier kini menjadi fisika "-yang tidak-sangat rahasia" yang mereka manfaatkan "untuk menghasilkan warna cahaya yang benar-benar baru dari satu warna yang kita masukkan," jelas Brodnik. "Jika Anda mengambil gambar dengan kamera, Anda tidak mengharapkan warna gambar berubah ketika melewati lensa. Namun dengan bahan nonlinier dengan kekuatan optik tinggi yang disediakan oleh laser, itulah yang terjadi. Ini adalah teknik kunci yang menggerakkan laser skala-meja yang membuat banyak warna khusus saat ini. Kami menggunakan teknik ini-tetapi dengan sirkuit fotonik dalam perangkat yang lebih kecil dari ukuran sebutir beras."
Aspek paling keren dari pekerjaan Brodnik ini adalah melihat "warna cahaya baru yang sering kali menyilaukan muncul dari perangkat kami karena mengubah cahaya masukan (yang tidak terlihat oleh mata kami)," katanya. "Di laboratorium, saat sebuah chip berada pada tahap pengujian, kami secara perlahan memasukkan parameter operasi dan, boom, warna biru cerah-hijau mulai bersinar di seluruh chip. Pada perangkat berikutnya, kami menjadikannya biru-ungu. Rasanya seperti sihir."
Pekerjaan mereka “meletakkan fondasi dan menunjukkan potensi platform ini,” kata Brodnik. “Kami tentu saja akan berupaya mengoptimalkan kinerja desain yang ada, namun platform ini membuka fungsionalitas dan fitur desain baru yang sangat ingin kami jelajahi.”
Banyak aplikasi yang melibatkan antarmuka dengan transisi atom-seperti penginderaan dan komputasi kuantum-membutuhkan cahaya pada panjang gelombang yang mencakup pita gelombang tampak dan-inframerah dekat. “Aplikasi yang perlu merutekan dan menyalakan/mematikan lampu dengan cepat, seperti pemrosesan data optik dan komputasi, juga dapat memanfaatkan platform ini dengan memanfaatkan fungsi fisika lain yang disediakan oleh material tersebut,” kata Brodnik. "Teknologi tampilan konsumen mungkin merupakan aplikasi lain. Masih banyak lagi-yang belum terpikirkan oleh kami, yang kini dapat dipertimbangkan dan dikembangkan oleh komunitas ilmiah."
Tim ini memiliki "beberapa arsitektur fotonik menarik yang saat ini sedang dalam tahap desain, yang memerlukan berbagai kemampuan yang didukung platform kami," kata Brodnik. “Kami juga bersemangat untuk berkolaborasi dengan kolega dan peneliti lain yang telah memberikan ide-ide dan penerapan baru yang mungkin belum kami pertimbangkan atau memerlukan keahlian bersama untuk mewujudkannya. Saat-saat yang menyenangkan.”
