Het digitale tijdperk heeft elektronica gezien, inclusief computerchips, krimpen in omvang met een verbazingwekkende snelheid, met steeds kleinere chips die apparaten zoals smartphones voeden, laptops en zelfs autonome drones. In het kielzog van deze vooruitgang, een andere miniatuurtechnologie komt op stoom:geïntegreerde fotonica.

fotonen, welke de kwantumdeeltjes van licht zijn, hebben een aantal voordelen ten opzichte van elektronen, de naamgenoten van de elektronica. Voor sommige toepassingen is fotonen bieden een snellere en nauwkeurigere informatieoverdracht en verbruiken minder stroom dan elektronen. En omdat on-chip fotonica grotendeels wordt gebouwd met dezelfde technologie die is ontwikkeld voor de elektronica-industrie, ze dragen de belofte in zich om elektronica en fotonica op dezelfde chip te integreren.

Kleine fotonische chips zijn al op veel plaatsen geadopteerd, inclusief telecommunicatienetwerken (denk aan glasvezelinternet) en grote datacenters (denk aan het koppelen van glasvezel met elektronica). Andere industrieën staan ​​op het punt te profiteren van fotonica, met zelfrijdende autofabrikanten die op licht gebaseerde radarchips ontwikkelen. Echter, veel tools die goed ingeburgerd zijn in traditionele optica - dingen die lasers gebruiken, lenzen en andere omvangrijke apparatuur hebben nog geen compacte fotonische analoog. Voor futuristische tools zoals op licht gebaseerde kwantumcomputers of draagbare optische klokken, er is nog meer werk om alles in elkaar te pakken.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van JQI hebben een nieuwe tool toegevoegd aan de fotonica-toolkit:een manier om silicium, het oorspronkelijke materiaal voor een groot deel van digitale elektronica en fotonica, om de frequentie van laserlicht efficiënt te verdubbelen. Door twee bestaande technieken te combineren, het team behaalde een frequentieverdubbelende efficiëntie die 100 keer groter was dan eerdere experimenten met siliciumverbindingen. Ze hebben hun resultaten gedetailleerd beschreven in een artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurfotonica .

Lichtgolven bestaan ​​uit fotonen, maar ze dragen ook een frequentie. Onze ogen zien een klein deel van deze frequenties als de kleuren van de regenboog, maar magnetrons, Onder andere röntgenstralen en radiogolven bewonen dit spectrum. Het verdubbelen van de frequentie van licht is een manier om tussen deze verschillende bereiken te converteren. In het nieuwe werk het team demonstreerde een verdubbeling van infrarood licht - dat vaak wordt gebruikt in optische telecommunicatie - tot rood licht, de taal van zeer nauwkeurige atoomklokken.

Frequentieverdubbeling is een effect dat kan optreden wanneer licht interageert met het medium waar het doorheen reist, of het nu lucht is, water of silicium. Afhankelijk van de eigenschappen van deze materialen, een klein beetje van het licht kan worden verdubbeld, verdrievoudigd, of, in extreme gevallen, vermenigvuldigd tot nog hogere graden, zoals een muzieknoot die ook een beetje geluid genereert, twee, of enkele octaven hoger. Door het juiste materiaal te kiezen, en het op de juiste manier verlichten, onderzoekers kunnen de harmonische bereiken die ze nodig hebben.

Helaas, silicium en siliciumverbindingen - de materialen bij uitstek voor het routeren van licht op een chip vanwege de volwassenheid van siliciumproductie en het gemak van integratie met elektronica - ondersteunen intrinsiek geen frequentieverdubbeling. De kristalstructuur is te uniform, wat betekent dat het er in alle richtingen hetzelfde uitziet. Dit verhindert het verdubbelingseffect, die afhankelijk is van elektronen in het materiaal die onder invloed van licht de ene kant meer verschuiven dan de andere. Maar als het licht eenmaal beperkt is tot een klein spoortje op een chip, dingen worden een beetje minder uniform:de lucht is altijd dichtbij, en het lijkt helemaal niet op een siliciumkristal. Dus, er wordt een kleine hoeveelheid licht met verdubbelde frequentie gegenereerd, maar meestal is het niet genoeg om nuttig te zijn.

In het nieuwe werk een team onder leiding van JQI Fellow Kartik Srinivasan, een Fellow van het National Institute of Standards and Technology (NIST), en NIST en UMD postdoctoraal onderzoeker Xiyuan Lu, combineerde twee eerder onderzochte technieken om voort te bouwen op dit kleine effect, het genereren van 100 keer meer frequentieverdubbeld licht dan alle eerdere siliciumexperimenten. Aanvullend, hun verdubbeling vond plaats met een efficiëntie van 22%, merkbaar genoeg om bruikbaar te zijn in toepassingen.

De eerste truc was om het licht in een resonator te vangen, waardoor het licht rond en rond gaat en het kleine verdubbelingseffect steeds opnieuw teweegbrengt. Om dit te behalen, de onderzoekers leidden eerst bijna-infrarood laserlicht in een optische vezel. De vezel schoot het licht vervolgens in een siliciumnitride-golfgeleider die op een siliciumchip was gedrukt. Deze golfgeleider leidde tot een andere golfgeleider, die in een cirkel was gewikkeld met een diameter van slechts 23 micron. De cirkelvormige resonator, die is ontworpen om het binnenkomende licht op te vangen en rond te circuleren, liet een klein beetje frequentieverdubbeling steeds weer gebeuren. Nog een rechte golfgeleider, aan de andere kant van de resonator, werd afgestemd om het in frequentie verdubbelde licht weg te voeren.

De tweede truc was om het silicium minder uniform te maken door het te voorzien van een elektrisch veld. Gelukkig, er was eigenlijk geen extern veld nodig - de kleine hoeveelheid frequentie verdubbelde licht, gecombineerd met het originele infrarood pomplicht, zorgde ervoor dat de elektronen in de resonator zich aan de randen verzamelden, het creëren van een constant elektrisch veld. Dit veld versterkte de frequentieverdubbelende capaciteit van het siliciumnitride aanzienlijk.

"Het is een feedbackproces, " zegt Srinivasan, "omdat een klein beetje frequentieverdubbeld licht en pomplicht het constante elektrische veld beginnen te creëren, het proces van frequentieverdubbeling sterker maken, wat op zijn beurt meer frequentieverdubbeld licht creëert. Dus zowel het pomplicht als het frequentieverdubbelde licht circuleren rond in deze ring, en er is een enorm vermogen om dit ding te nemen dat begon als extreem zwak, en maak er dan een behoorlijk sterk effect van."

Het was niet eenvoudig om beide effecten in hetzelfde apparaat te laten werken. Niet alleen moet de resonatorring precies de juiste maat hebben om de pomp en het frequentieverdubbelde licht op te vangen, het licht moet ook op de juiste manier stapelen in de resonator. Om dit te behalen, gedetailleerde simulaties en nauwkeurige fabricage in een cleanroom zijn noodzakelijk. Maar als zo'n nauwkeurig apparaat eenmaal is gefabriceerd, het enige wat u hoeft te doen is het pomplicht op te sturen, en observeer frequentie verdubbeld licht aan de uitgang.

"Om een ​​efficiënte interactie tussen licht en materiaal mogelijk te maken, licht van verschillende kleuren moet lang leven en ook met precies dezelfde snelheid bewegen, " zegt Lu, "Ons apparaat implementeert deze twee sleutelfactoren in foto-geïnduceerde frequentieverdubbeling, wat de energie-efficiëntie van dit proces aanzienlijk verhoogt."

Dit apparaat is een nieuwe stap in een lange zoektocht naar een draagbaar, ultra-precieze atoomklok. "Deze optische klokken zijn deze geweldige tijdwaarnemingsapparaten, maar meestal zijn ze in een groot lab, " zegt Srinivasan. "Als het in een klein pakket zou kunnen zitten, zou het op auto's of drones of andere voertuigen kunnen gaan. Timing ligt ten grondslag aan veel belangrijke navigatietoepassingen, en voor het grootste deel nu, mensen vertrouwen op GPS-signalen. Maar er zijn allerlei mogelijkheden dat er iets in de weg zit, en je kunt die signalen niet opvangen, of iemand vervalst het signaal. Dus, Het is zinvol om draagbare timinginstrumenten te hebben die je echt nauwkeurige en precieze tijd kunnen geven voor lange afstanden voordat je een synchronisatiesignaal van GPS nodig hebt."

Hoewel het niet de ster van de show is, frequentieverdubbeling is een noodzakelijke component in optische atoomklokken. Deze klokken produceren een extreem regelmatige beat, maar bij optische frequenties - honderden biljoenen lichtveldoscillaties per seconde. Conventionele elektronica kan niet rechtstreeks met dat signaal communiceren, dus om deze precisie terug te brengen tot een begrijpelijke frequentie (slechts miljarden trillingen per seconde) gebruiken wetenschappers frequentiekammen - laserbronnen met frequentie-tanden op perfect regelmatige intervallen, een uitvinding die in 2005 de Nobelprijs voor natuurkunde won.

Nuttig zijn, deze frequentiekammen moeten worden gekalibreerd - elke tand in de kam moet worden gelabeld met een specifieke frequentiewaarde. De eenvoudigste en meest gebruikelijke manier om ze te kalibreren, is door de laagste tand in de kam te nemen, frequentie verdubbelen, en vergelijk met de hoogste tand:dit geeft de frequentie van de laagste tand. Samen met een eenvoudige meting van de afstand tussen de tanden, wetenschappers kunnen dit gebruiken om de exacte frequentie van elke tand af te leiden.

Onlangs, verschillende stukken van de atoomklokken op de chip, inclusief minuscule atoomdampcellen en frequentiekammen op de chip, zijn bereikt in op silicium gebaseerde fotonica. Echter, de kalibratie van frequentieverdubbeling werd eerder gedaan met omvangrijke optica of met materialen die minder compatibel zijn met silicium. "In ieder geval conceptueel, " zegt Srinivasan, "we zijn een stap dichter bij een gekalibreerde frequentiekam in een heel compact pakket. Er is nog werk aan de winkel om deze dingen echt in elkaar te kunnen zetten, maar we zijn dichter bij een compacte optische atoomklok dan voorheen."