Onderzoekers hebben een nieuwe chip-geïntegreerde lichtbron ontworpen die infrarode golflengten kan omzetten in zichtbare golflengten. die moeilijk te produceren waren met technologie op basis van siliciumchips. Deze flexibele benadering van on-chip lichtgeneratie is klaar om zeer geminiaturiseerde fotonische instrumentatie mogelijk te maken die gemakkelijk te produceren en robuust genoeg is om buiten het laboratorium te gebruiken.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor onderzoek met hoge impact, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), Universiteit van Maryland, en de Universiteit van Colorado beschrijven hun nieuwe optische parametrische oscillator (OPO) lichtbron en laten zien dat het uitgangslicht kan produceren dat een heel andere kleur heeft, of golflengte, dan het ingangslicht. Naast het creëren van licht op zichtbare golflengten, de OPO genereert tegelijkertijd nabij-infrarode golflengten die kunnen worden gebruikt voor telecommunicatietoepassingen.

"Onze energie-efficiënte en flexibele aanpak genereert coherent laserlicht over een bereik van golflengten die breder is dan wat toegankelijk is met directe chip-geïntegreerde lasers, "De on-chip creatie van zichtbaar licht kan worden gebruikt als onderdeel van zeer functionele compacte apparaten zoals op chips gebaseerde atoomklokken of apparaten voor draagbare biochemische analyses. De ontwikkeling van de OPO in een siliciumfotonicaplatform creëert het potentieel voor schaalbare productie van deze apparaten in commerciële fabricagegieterijen, wat deze aanpak zeer kosteneffectief zou kunnen maken."

Niet-lineaire processen benutten

Hoewel de reactie van een materiaal op licht doorgaans lineair schaalt, materiaaleigenschappen kunnen sneller veranderen als reactie op licht bij hoog vermogen, die verschillende niet-lineaire effecten creëert. OPO's zijn een type laser die niet-lineaire optische effecten gebruikt om een ​​zeer breed scala aan uitgangsgolflengten te creëren.

De onderzoekers wilden uitzoeken hoe ze laseremissie kunnen nemen op een golflengte die gemakkelijk beschikbaar is met compacte chiplasers en deze kunnen combineren met niet-lineaire nanofotonica om laserlicht te genereren op golflengten die anders moeilijk te bereiken zijn met siliciumfotonicaplatforms.

"Niet-lineaire optische technologieën worden al gebruikt als integrale componenten van lasers in 's werelds beste atoomklokken en veel laboratoriumspectroscopiesystemen, " zei Xiyuan Lu, eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker van de NIST-University of Maryland. "Toegang hebben tot verschillende soorten niet-lineaire optische functionaliteit, inclusief OPO's, binnen geïntegreerde fotonica is belangrijk voor de overgang van technologieën die momenteel in laboratoria zijn gevestigd naar platforms die draagbaar zijn en in het veld kunnen worden ingezet."

In het nieuwe werk de onderzoekers ontwierpen een OPO op basis van een microring van siliciumnitride. Deze optische component wordt gevoed door ongeveer 1 milliwatt infrarood laservermogen - ongeveer dezelfde hoeveelheid vermogen als in een laserpointer. Terwijl het licht rond de microring reist, neemt het in optische intensiteit toe tot het krachtig genoeg is om een ​​niet-lineaire optische respons in siliciumnitride te creëren. Dit maakt frequentieomzetting mogelijk, een niet-lineair proces dat kan worden gebruikt om een ​​uitgangsgolflengte te produceren, of frequentie, dat is anders dan dat van het licht dat het systeem binnengaat.

"Recente vooruitgang in nanofotonische engineering heeft deze methode van frequentieconversie zeer efficiënt gemaakt, " zei Lu. "Een belangrijke vooruitgang in ons werk was het uitzoeken hoe de specifieke niet-lineaire interactie van belang kon worden bevorderd, terwijl potentiële concurrerende niet-lineaire processen die in dit systeem kunnen optreden, worden onderdrukt."

De lichtbron testen

De onderzoekers ontwierpen de nieuwe on-chip lichtbron met behulp van gedetailleerde elektromagnetische simulaties. Vervolgens maakten ze het apparaat en gebruikten het om 900 nanometer ingangslicht om te zetten in banden met een golflengte van 700 nanometer (zichtbaar) en een golflengte van 1300 nanometer (telecommunicatie). De OPO heeft dit bereikt met minder dan 2 procent van het pomplaservermogen dat nodig is voor eerder gerapporteerde microresonator-OPO's die zijn ontwikkeld voor het genereren van sterk gescheiden uitvoerkleuren. In de voorgaande gevallen beide gegenereerde kleuren waren in het infrarood. Met een paar eenvoudige wijzigingen in de afmetingen van de microring, de OPO produceerde ook licht in de 780 nm zichtbare en 1500 nanometer telecommunicatiebanden.

De onderzoekers zeggen dat de nieuwe OPO kan worden gebruikt om een ​​compleet systeem te maken door een goedkope commerciële nabij-infrarooddiodelaser te combineren met een OPO-chip die ook componenten zoals filters integreert, detectoren en een spectroscopiesectie. Ze blijven zoeken naar manieren om het door de OPO gegenereerde uitgangsvermogen te vergroten.

"Dit werk laat zien dat niet-lineaire nanofotonica een volwassenheidsniveau bereikt waarbij we een ontwerp kunnen maken dat ver van elkaar verwijderde golflengten verbindt en vervolgens voldoende fabricagecontrole bereiken om dat ontwerp te realiseren, en de voorspelde prestaties, in praktijk, " zei Srinivasan. "Vooruitgaand, het moet mogelijk zijn om een ​​breed scala aan gewenste golflengten te genereren met behulp van een klein aantal compacte chiplasers in combinatie met flexibele en veelzijdige niet-lineaire nanofotonica."