אורכי גל לייזר הנדרשים עבור רבים מהניסויים המסקרנים ביותר של ימינו, במיוחד בטווח הנראה, הם אתגר למקור עבור מעגלים משולבים פוטוניים זעירים (PICs). אבל חוקרים ועמיתים לפוטוניקה של המכון הלאומי האמריקאי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ב-Octave Photonics מובילים פתרון לבעיית גישה זו באורך גל-וכמו כן מטפלים באתגרים לאיחוד פונקציות פוטוניות שונות לתמיכה במיתוג, ניתוב וסינון אופטי
גישה נפוצה אחת כיום היא לשלב חומרים פוטוניים שונים כדי לנסות לאפשר את הפונקציות השונות הללו ולמנף עוצמות היכן שהן קיימות, אך אף חומר בודד לא יכול לעשות זאת בכלל בקנה מידה הרצוי עבור יישומים חדשים.
"העבודה שלנו נוצרה בהשראת המטרה הנעלה של השגת 'לייזרים בכל אורך גל', עם תאימות ישירה לטכנולוגיות פוטוניות קיימות", אומר גרנט מ. ברודניק, פיזיקאי בקבוצת הננופוטוניקה הקוונטית והלא-לינארית של NIST. "והדגמנו פונקציונליות אחרות כמו מסרקות תדרים ויצירת רצף על, כי הפלטפורמה תומכת בהן ישירות. ליכולות האלה יש תפקיד מפתח ביישומים חשובים רבים".
תודה, אופטיקה לא ליניארית
כדי להגיע למהירות הדרושה של בינה מלאכותית (AI) ויישומים קוונטיים, מעבר מאלקטרונים לפוטונים הוא קריטי-וכך גם לייזרים בקנה מידה שבבים "בכל אורך גל".
הסבר קצר על הגישה החדשה של הצוות: זה מתחיל עם פרוסת סיליקון סטנדרטית המצופה בסיליקון דו חמצני (זכוכית) וליתיום ניובאט, חומר לא ליניארי שיכול לשנות את צבע האור הנכנס אליו. הוספת מתכת מאפשרת חיוג חשמלי של הליתיום ניובאט-להמרת צבע אחד של אור לאחר. ממשקי מתכת דומים -ליתיום ניובאט יכולים לאפשר הפעלה/כיבוי מהיר של האור (חשבו על ניתוב-במהירות גבוהה ועיבוד נתונים).
הפקדת דפוסים מורכבים של טנטלום פנטאוקסיד, הידוע גם בשם טנטלה, ישירות על גבי המעגלים הפוטוניים האחרים מאפשרת לפלטפורמות פוטוניות מגוונות לפעול בשיתוף פעולה. טנטלה היא חומר לא ליניארי חזק ומתאים היטב לפעולה באורך גל גלוי. "באופן קריטי, יש לו תכונות חומר מושכות (קשורות לייצור שלה) שהופכות אותו לאפשרי אינטגרציה ישירה עם חומרים פוטוניים אחרים", אומר ברודניק.
כאשר החוקרים עיצבו את החומרים זה על גבי זה בערימה תלת מימדית, הם בסופו של דבר קיבלו שבב בודד שמנתב ביעילות את האור בין השכבות. שבב זה משלב את יכולות המניפולציה האור של טנטלה עם יכולת השליטה של ליתיום ניובאט.
אופטיקה לא ליניארית היא הפיזיקה ה"לא{0}}כל כך-הרוטב הסודי כעת שהם ממנפים "כדי ליצור צבעי אור חדשים לגמרי מהצבע הבודד שהכנסנו", מסביר ברודניק. "אם אתה מצלם תמונה עם מצלמה, אתה לא מצפה שצבעי התמונה ישתנו כאשר עוברים דרך עדשה. אבל עם חומרים לא ליניאריים בהספקים אופטיים גבוהים המסופקים על ידי לייזרים, זה בדיוק מה שקורה. זוהי טכניקת מפתח המניעה לייזרים בקנה מידה- שולחני שמייצרים כיום צבעים מותאמים אישית רבים. אנו משתמשים בטכניקות אלה-בהתאם למעגלים קטנים יותר של צילום."
ההיבט המגניב ביותר של עבודה זו עבור ברודניק הוא לראות "צבעי אור חדשים, לעתים קרובות מסנוורים, יוצאים מהמכשירים שלנו מהמרת אור הקלט (שאיננו נראה לעינינו)," הוא אומר. "במעבדה, כששבב יושב על במת בדיקה, אנו מחייגים לאט את פרמטרי הפעולה, ובום, ירוק כחול-תוסס מתחיל לזרוח על פני השבב. במכשיר הבא, אנחנו הופכים אותו לכחול-סגול. זה מרגיש קצת כמו קסם."
עבודתם "מניחה את היסודות ומדגימה את הפוטנציאל של הפלטפורמה", אומר ברודניק. "בהחלט נעבוד כדי לייעל את הביצועים של עיצובים קיימים, אבל הפלטפורמה פותחת פונקציונליות וידיות עיצוב חדשות שאנו נרגשים לחקור."
יישומים רבים הכוללים התממשקות עם מעברים אטומיים-חושבים שחישה קוונטית ומחשוב-דורשים אור באורכי גל המתפרשים על פסי הגל הנראה והקרוב-אינפרא אדום. "יישומים שצריכים לנתב ולכבות במהירות את האור, כמו עיבוד נתונים אופטי ומחשוב, יכולים להפיק תועלת מהפלטפורמה גם על ידי מינוף פונקציונליות פיזיקה אחרת שהחומרים מספקים", אומר ברודניק. "טכנולוגיית תצוגה לצרכנים היא אולי עוד יישום. יש עוד הרבה-בוודאי כאלה שאפילו לא חשבנו עליהם, שכעת יכולים להיחשב ולפתח על ידי הקהילה המדעית."
לצוות יש "קומץ של ארכיטקטורות פוטוניות מרגשות שנמצאות כעת בשלבי תכנון, אשר דורשות שורה מלאה של יכולות שהפלטפורמה שלנו תומכת בה", אומר ברודניק. "אנחנו גם נרגשים לשתף פעולה עם עמיתים וחוקרים אחרים שהביאו לנו רעיונות ויישומים חדשים שאולי לא שקלנו או שדורשים מומחיות משותפת כדי להמשיך. זמנים מרתקים".
