Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Maryland hebben een microchiptechnologie ontwikkeld die onzichtbaar nabij-infrarood laserlicht kan omzetten in een van de vele zichtbare laserkleuren, inclusief rood, Oranje, geel en groen. Hun werk biedt een nieuwe benadering voor het genereren van laserlicht op geïntegreerde microchips.

De techniek heeft toepassingen in nauwkeurige tijdwaarneming en kwantuminformatiewetenschap, die vaak afhankelijk zijn van atomaire of solid-state systemen die moeten worden aangedreven met zichtbaar laserlicht op nauwkeurig gespecificeerde golflengten. De benadering suggereert dat een breed bereik van dergelijke golflengten kan worden benaderd met een enkele, kleinschalig platform, in plaats van omvangrijke, tafelbladlasers of een reeks verschillende halfgeleidermaterialen. Het bouwen van dergelijke lasers op microchips biedt ook een goedkope manier om lasers te integreren met optische miniatuurschakelingen die nodig zijn voor optische klokken en kwantumcommunicatiesystemen.

De studie, gerapporteerd in het nummer van 20 oktober van optiek , draagt ​​bij aan NIST on a Chip, een programma dat de ultramoderne meetwetenschappelijke technologie van NIST verkleint, waardoor het rechtstreeks kan worden gedistribueerd naar gebruikers in de industrie, medicijn, defensie en de academische wereld.

Atomaire systemen die het hart vormen van de meest nauwkeurige en nauwkeurige experimentele klokken en nieuwe instrumenten voor de kwantuminformatiewetenschap, vertrouwen doorgaans op hoogfrequent zichtbaar (optisch) laserlicht om te werken, in tegenstelling tot de veel lagere frequentie microgolven die wereldwijd worden gebruikt om de officiële tijd in te stellen.

Wetenschappers ontwikkelen nu technologieën voor atomaire optische systemen die compact zijn en met een laag vermogen werken, zodat ze buiten het laboratorium kunnen worden gebruikt. Hoewel er veel verschillende elementen nodig zijn om een ​​dergelijke visie te realiseren, een belangrijk ingrediënt is toegang tot lasersystemen voor zichtbaar licht die klein, lichtgewicht en werken op laag vermogen.

Hoewel onderzoekers grote vooruitgang hebben geboekt bij het creëren van compacte, krachtige lasers op de nabij-infrarode golflengten die worden gebruikt in telecommunicatie, het was een uitdaging om gelijkwaardige prestaties te bereiken bij zichtbare golflengten. Sommige wetenschappers hebben vooruitgang geboekt door halfgeleidermaterialen te gebruiken om compacte lasers voor zichtbaar licht te genereren. In tegenstelling tot, Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan en hun collega's bij NIST en de Universiteit van Maryland in College Park kozen voor een andere benadering, gericht op een materiaal genaamd siliciumnitride, die een uitgesproken niet-lineaire reactie op licht heeft.

Materialen zoals siliciumnitride hebben een bijzondere eigenschap:als invallend licht voldoende intensiteit heeft, de kleur van het uittredende licht komt niet noodzakelijk overeen met de kleur van het binnentredende licht. Dat komt omdat wanneer gebonden elektronen in een niet-lineair optisch materiaal interageren met invallend licht met hoge intensiteit, de elektronen stralen dat licht opnieuw uit met frequenties, of kleuren, die verschillen van die van het invallende licht.

(Dit effect staat in contrast met de dagelijkse ervaring van het zien van licht dat weerkaatst op een spiegel of door een lens breekt. In die gevallen de kleur van het licht blijft altijd hetzelfde.)

Lu en zijn collega's gebruikten een proces dat bekend staat als derde-orde optische parametrische oscillatie (OPO), waarin het niet-lineaire materiaal invallend licht in het nabij-infrarood omzet in twee verschillende frequenties. Een van de frequenties is hoger dan die van het invallende licht, door het in het zichtbare bereik te plaatsen, en de andere is lager in frequentie, dieper het infrarood in. Hoewel onderzoekers OPO al jaren gebruiken om verschillende kleuren licht in grote, tafelblad optische instrumenten, de nieuwe door NIST geleide studie is de eerste die dit effect toepast om bepaalde golflengten van zichtbaar licht te produceren op een microchip die het potentieel heeft voor massaproductie.

Om de OPO-methode te miniaturiseren, de onderzoekers richtten het nabij-infrarode laserlicht in een microresonator, een ringvormig apparaat met een oppervlakte van minder dan een miljoenste vierkante meter en vervaardigd op een siliciumchip. Het licht in deze microresonator circuleert zo'n 5, 000 keer voordat het verdwijnt, het bouwen van een intensiteit die hoog genoeg is om toegang te krijgen tot het niet-lineaire regime waar het wordt geconverteerd naar de twee verschillende uitgangsfrequenties.

Om een ​​veelvoud aan zichtbare en infrarode kleuren te creëren, het team fabriceerde tientallen microresonators, elk met iets andere afmetingen, op elke microchip. De onderzoekers kozen deze afmetingen zorgvuldig, zodat de verschillende microresonatoren uitgangslicht van verschillende kleuren zouden produceren. Het team toonde aan dat deze strategie een enkele nabij-infraroodlaser mogelijk maakte die in golflengte varieerde met een relatief kleine hoeveelheid om een ​​breed scala aan specifieke zichtbaar-licht- en infraroodkleuren te genereren.

Vooral, hoewel de ingangslaser werkt over een smal bereik van nabij-infraroodgolflengten (van 780 nanometer tot 790 nm), het microchipsysteem genereerde zichtbaar-lichtkleuren variërend van groen tot rood (560 nm tot 760 nm) en infrarode golflengten variërend van 800 nm tot 1, 200 nm.

"Het voordeel van onze aanpak is dat elk van deze golflengten toegankelijk is door simpelweg de afmetingen van onze microresonatoren aan te passen, ' zei Srinivasan.

"Hoewel een eerste demonstratie, "Lu zei, "We zijn enthousiast over de mogelijkheid om deze niet-lineaire optische techniek te combineren met gevestigde nabij-infrarood lasertechnologie om nieuwe soorten on-chip lichtbronnen te creëren die in een verscheidenheid aan toepassingen kunnen worden gebruikt."