Mikroresonator pandu gelombang optik yang dibuat oleh kelompok Profesor Won Park di Universitas Colorado Boulder membuka pintu lebar-lebar bagi-teknologi sensor dalam chip.
Sensor optik kecil ini memerangkap cahaya pada-chip dan membangun intensitasnya-dan tingginya-Q faktor dan nonlinier menjadikannya ideal untuk aplikasi seperti laser{0}}lebar garis sempit melalui stimulasi hamburan Brillouin dan Raman, pembuatan sisir frekuensi, atau pemrosesan informasi kuantum.
"Kami tertarik untuk mengeksplorasi optik nonlinier dengan material baru-dalam kasus kami, kalkogenida, yang dikenal karena transparansi panjang gelombangnya yang panjang, nonliniernya yang tinggi, dan sifat amorf yang memiliki kemungkinan integrasi dengan material lain seperti litium niobate dan silikon nitrida," jelas Park, seorang profesor teknik elektro.
Euler?
Desain mikroresonator pandu gelombang optik grup ini didasarkan pada tikungan Euler "U", yang memungkinkan cahaya tetap berada di dalam mikroresonator selama sekitar 3 nanodetik (selama masa hidup foton 3-ns, cahaya merambat sekitar setengah meter atau hampir seribu perjalanan pulang pergi). Hal ini meningkatkan panjang jalur perangkat dan memungkinkan interaksi optik nonlinier. Hal ini pada dasarnya memberi para peneliti kendali atas kerugian tikungan yang melekat pada mikroresonator dan memungkinkan perangkat dengan kerugian ultrarendah serupa dengan platform material canggih lainnya.
Simulasi sangat penting untuk mengidentifikasi mengapa resonator tradisional kehilangan banyak cahaya. "Kami menggunakan COMSOL Multiphysics untuk menghitung distribusi bidang mode dan melakukan integral yang tumpang tindih," kata Park. "Hal ini memungkinkan kami untuk menentukan 'titik terbaik' di persimpangan pertemuan pandu gelombang lurus dan melengkung. Kami juga menggunakan simulasi FDTD untuk memodelkan bagaimana cahaya merambat melalui kurva Euler untuk memastikan kami dapat menekan eksitasi mode-orde tinggi yang biasanya mengganggu perangkat-tapak kecil ini."
Kelompok tersebut sebenarnya merancang struktur untuk eksperimen lain dan sangat terkejut saat menemukan hal yang tinggi-Q faktor-faktor yang telah mereka ulangi dalam dua ruang bersih yang berbeda.
"Momen 'aha' kami adalah menyadari bahwa dengan menggunakan kurva Euler-yang kelengkungannya berubah secara linier-pada dasarnya kami dapat 'mengelabui' cahaya agar tetap berada dalam mode fundamental meskipun ada tikungan yang sangat sempit," kata Park. "Sungguh bermanfaat melihat hasil eksperimen kami sesuai dengan faktor kualitas intrinsik teoretis sebesar 4,55 × 106. Mencapai angka manfaat nonlinier tertinggi yang dilaporkan untuk PIC chalcogenide adalah hal yang terbaik."
Tantangan litografi
Untuk mencapai hal tersebut, kelompok tersebut pertama-tama harus mengembangkan proses pola litografi berkas elektron untuk material mereka, karena litografi tradisional yang menggunakan foton dibatasi oleh panjang gelombang cahaya.
Kendala utama yang dihadapi? Sensitivitas materi. "Khalkogenida dapat mengalami oksidasi permukaan dan penyerapan-terkait pengotor," kata Park. “Dalam upaya yang dipimpin oleh dua mahasiswa pascasarjana, Bright Lu dan James Erikson, kami mengatasi hal ini dengan menggunakan proses anil vakum pada suhu 250 derajat untuk meningkatkan homogenitas material dan mengurangi kekasaran permukaan. Kami juga perlu mengkalibrasi boron triklorida (BCl) kami secara tepat3) dan campuran gas argon (Ar) selama etsa ion reaktif plasma yang digabungkan secara induktif (ICP RIE) untuk memastikan dinding samping yang mulus, yang sangat penting untuk mempertahankan 'ultrahigh-Q' pertunjukan."
'Pisau tentara Swiss' untuk foto
Resonator ini mirip dengan "pisau Swiss Army untuk PIC", kata Park. "Karena tingginya-Qfaktor dan nonlinier, keduanya sempurna untuk beragam aplikasi seperti laser-lebar garis sempit melalui stimulasi hamburan Brillouin dan Raman, pembuatan sisir frekuensi untuk metrologi dan telekomunikasi, atau pemrosesan informasi kuantum di mana-kerugian-komponen chip yang rendah tidak dapat dinegosiasikan."
Kini kelompok Park telah membuktikan kemampuan-kerugian platform yang rendah (kehilangan penyerapan 0,43 dB/m), mereka mengincar batas kerugian tertinggi. "Kami juga memperluas pandu gelombang lebih jauh lagi untuk menuju kinerja 'materi-terbatas', yang berpotensi mendorong kamiQ-faktornya lebih tinggi lagi dan memungkinkan interaksi nonlinier yang lebih efisien," katanya.
BACAAN LEBIH LANJUT
