Optica, technologieën die gebruikmaken van het gedrag en de eigenschappen van licht, vormen de basis van veel bestaande technologische hulpmiddelen, met name glasvezelcommunicatiesystemen die lange- en korteafstandscommunicatie met hoge snelheid tussen apparaten mogelijk maken. Optische signalen hebben een hoge informatiecapaciteit en kunnen over grotere afstanden worden verzonden.

Onderzoekers van het California Institute of Technology hebben onlangs een nieuw apparaat ontwikkeld dat zou kunnen helpen om enkele van de beperkingen van bestaande optische systemen te overwinnen. Dit apparaat, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Nature Photonics , is een op lithiumniobaat gebaseerd apparaat dat ultrakorte lichtpulsen kan schakelen met een extreem lage optische pulsenergie van tientallen femtojoules.

"In tegenstelling tot elektronica, mist optica nog steeds efficiëntie in de vereiste componenten voor computergebruik en signaalverwerking, wat een grote barrière is geweest voor het ontsluiten van de mogelijkheden van optica voor ultrasnelle en efficiënte computerschema's," vertelde Alireza Marandi, hoofdonderzoeker van het onderzoek, aan Phys.org . "In de afgelopen decennia zijn er aanzienlijke inspanningen geleverd om volledig optische schakelaars te ontwikkelen die deze uitdaging kunnen aangaan, maar de meeste energie-efficiënte ontwerpen hadden last van trage schakeltijden, voornamelijk omdat ze ofwel hoge-Q-resonatoren of draaggolf gebruikten. gebaseerde niet-lineariteiten."

Het belangrijkste doel van de recente studie van Marandi en zijn collega's was om de inherente niet-lineariteit van lithiumniobaat te benutten om een ​​hoogpresterende optische schakelaar te ontwikkelen. Ze wilden dat deze schakelaar ultrasnel zou zijn (in het femtosecondebereik) en zou werken in het ultralage (d.w.z. femtojoule) energieregime.

Bij het ontwerpen van hun apparaat hebben de onderzoekers geen resonatoren geïntegreerd. In plaats daarvan introduceerden ze twee belangrijke elementen die de schakelprestaties van hun apparaat verbeterden, zowel wat betreft energieverbruik als snelheid.

"Ten eerste gebruiken we de ruimte-temporele opsluiting van licht in nanogolfgeleiders om de niet-lineaire interacties te verbeteren, omdat de sterkte van parametrische niet-lineaire processen afhangt van de piekintensiteit," zei Marandi. "Deze ruimte-temporele opsluiting was mogelijk in nanofotonisch lithiumniobaat vanwege de nanoschaaldoorsnede van de golfgeleiders en de mogelijkheid van dispersie-engineering, waardoor femtosecondepulsen kort blijven terwijl ze zich door de nanoschaalgolfgeleider voortplanten."

Het tweede kenmerkende kenmerk van het apparaat dat door Marandi en zijn collega's is gemaakt, is dat de quasi-fase-aanpassing van de niet-lineaire interacties is ontworpen. Meer specifiek ontwierp en veranderde het team de kristallografische oriëntatie van lithiumniobaat langs zijn nanogolfgeleiders.

"We gebruiken een periodiek patroon met een kunstmatig defect in het midden, dat het niet-lineaire proces deterministisch overschakelt van tweede-harmonische generatie (SHG) naar optische parametrische versterking (OPA)," Qiushi Guo, een postdoctoraal onderzoeker en de hoofdauteur van het artikel uitgelegd. "Door vóór dit defect een golflengte-selectieve koppelaar toe te voegen, zullen inputpulsen met lage energie niet leiden tot efficiënte SHG in de eerste helft van de golfgeleider, maar door de lineaire koppelaar worden weggelaten. Hoge energiepulsen leiden echter tot efficiënte SHG vóór de koppelaar en zal dus niet door de koppelaar worden weggelaten, omdat de ingangsenergie wordt opgeslagen in de tweede harmonische golflengte van de ingang. Na het defect keert het OPA-proces het signaal terug naar de ingangsgolflengte."

In eerste evaluaties ontdekten de onderzoekers dat hun ontwerp ultrasnelle volledig optische schakeling mogelijk maakte, terwijl ze slechts femtojoules aan energie verbruikten. Hun apparaat bereikte met name ultralage schakelenergieën tot 80 fJ, met een snelste schakeltijd van ~46 fs en een product met de laagste energietijd van 3,7 × 10 ⁻²⁷ J s in geïntegreerde fotonica.

"Ons apparaatontwerp is heel anders dan de vorige volledig optische schakelaars, vooral vanwege de manier waarop we de quasi-fase-aanpassing hebben ontwikkeld en hoe we ultrakorte pulsen konden gebruiken, en de resulterende prestaties zijn buitengewoon", zei Marandi. "Dit is een van de meest optimale manieren om een ​​niet-lineaire optische splitter te realiseren. We zijn echter niet gewend om op deze manier over informatieverwerking na te denken. Voor communicatie is bijvoorbeeld de meest gebruikte manier om informatie op optische signalen te verpakken multiplexing met golflengteverdeling, wat niet echt compatibel is met dit schakelmechanisme."

De door de onderzoekers gemaakte schakelaar is met name geschikt voor wat bekend staat als time-division multiplexing, een techniek om informatie in een optisch signaal te verpakken voor communicatie en informatieverwerking. Het vermogen van het apparaat om dit multiplexschema te ondersteunen, zou ongekende mogelijkheden op dit gebied kunnen openen, door gebruik te maken van de ultrahoge snelheid en andere voordelige eigenschappen van optica.

"Informatieverwerking met THz-kloksnelheden zou een van de belangrijke implicaties van ons werk kunnen zijn", zei Marandi. "De mogelijkheden in ultrasnelle lithiumniobaat nanofotonica zijn overweldigend."

Het recente werk van dit team van onderzoekers toont het enorme potentieel aan van geïntegreerde niet-lineaire fotonische apparaten. In de toekomst zou het kunnen helpen om het ontwerp van fotonische en optische technologieën te heroverwegen op zowel apparaat- als systeemniveau.

In hun volgende onderzoeken zijn Marandi en zijn collega's van plan om door te gaan met het ontwikkelen van goed presterende apparaten met unieke en innovatieve functionaliteiten. Hun hoop is om bij te dragen aan het creëren van grootschalige, ultrasnelle nanofotonische circuits en systemen.

"We zijn ook enthousiast over het gebruik van onze niet-lineaire splitter als de kern van een geïntegreerde laser met modusvergrendeling", voegde Marandi eraan toe. "De splitter kan fungeren als een 'verzadigbare absorber', wat de belangrijkste bouwsteen is voor passieve modusvergrendeling en een uitdaging was om te bereiken in geïntegreerde fotonica. De effectieve verzadigbare absorptie in ons apparaat heeft een buitengewone snelheid en energie-efficiëntie, en zijn ontwerp is compatibel met geïntegreerde lasers." + Verder verkennen

Nieuwe optische schakelaar kan leiden tot ultrasnelle volledig optische signaalverwerking

© 2022 Science X Network