Le lunghezze d'onda del laser necessarie per molti degli esperimenti più intriganti di oggi, in particolare all'interno della gamma visibile, sono una sfida da trovare per minuscoli circuiti integrati fotonici (PIC). Ma i ricercatori e colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti presso Octave Photonics stanno cercando una soluzione a questo problema di accesso alla lunghezza d'onda-e stanno anche affrontando le sfide per unire diverse funzioni fotoniche per supportare la commutazione, l'instradamento e il filtraggio ottici
Un approccio comune oggi è quello di combinare diversi materiali fotonici per tentare di abilitare queste diverse funzioni e sfruttare i punti di forza laddove esistono, ma nessun singolo materiale può farlo su tutte le scale desiderate per mettere in campo nuove applicazioni.
"Il nostro lavoro è stato ispirato dal nobile obiettivo di realizzare 'laser di qualsiasi lunghezza d'onda', con compatibilità diretta con le tecnologie fotoniche esistenti", afferma Grant M. Brodnik, fisico del Quantum and Nonlinear Nanophotonics Group del NIST. "E abbiamo dimostrato altre funzionalità come i pettini di frequenza e la generazione di supercontinuum, perché la piattaforma li supporta direttamente. Queste capacità svolgono un ruolo chiave in molte importanti applicazioni."
Grazie, ottica non lineare
Per raggiungere la velocità richiesta dall'intelligenza artificiale (AI) e dalle applicazioni quantistiche, il passaggio dagli elettroni ai fotoni è fondamentale-così come lo sono i laser a chip di "qualsiasi lunghezza d'onda".
Una breve spiegazione del nuovo approccio del team: inizia con un wafer di silicio standard rivestito con biossido di silicio (vetro) e niobato di litio, un materiale non lineare che può alterare il colore della luce che lo penetra. L'aggiunta di metallo consente al niobato di litio di essere collegato elettricamente-per convertire un colore della luce in altri. Interfacce simili di metallo-litio niobato possono consentire una rapida accensione/spegnimento della luce (si pensi al routing ad alta-velocità e all'elaborazione dei dati).
Il deposito di modelli complessi di pentossido di tantalio, noto anche come tantala, direttamente sopra gli altri circuiti fotonici consente a piattaforme fotoniche versatili di operare di concerto. Il tantala è un materiale resistente e non lineare ed è particolarmente adatto al funzionamento con lunghezza d'onda visibile. "Fondamentalmente, ha proprietà materiali interessanti (legate alla sua fabbricazione) che lo rendono suscettibile di integrazione diretta con altri materiali fotonici", afferma Brodnik.
Quando i ricercatori hanno modellato i materiali uno sopra l’altro in una pila 3D, si sono ritrovati con un singolo chip che instrada in modo efficiente la luce tra gli strati. Questo chip combina le capacità di manipolazione della luce del tantala con la controllabilità del niobato di litio.
L'ottica non lineare è la fisica ormai "non-così-segreta" che sfruttano "per creare colori di luce completamente nuovi dal singolo colore che inseriamo", spiega Brodnik. "Se scatti una foto con una fotocamera, non ti aspetti che i colori dell'immagine cambino quando passano attraverso un obiettivo. Ma con i materiali non lineari ad elevata potenza ottica forniti dai laser, è esattamente ciò che accade. È una tecnica chiave che alimenta i laser su scala-da tavolo che oggi creano molti colori personalizzati. Usiamo queste tecniche-ma con circuiti fotonici all'interno di dispositivi più piccoli delle dimensioni di un chicco di riso."
L'aspetto più interessante di questo lavoro per Brodnik è vedere "nuovi colori di luce, spesso abbaglianti, uscire dai nostri dispositivi convertendo la luce in ingresso (che è invisibile ai nostri occhi)", afferma. "In laboratorio, con un chip posizionato su un piano di prova, regoliamo lentamente i parametri operativi e, boom, il vibrante blu-verde inizia a brillare sul chip. Sul dispositivo successivo, lo rendiamo blu-viola. Sembra un po' una magia."
Il loro lavoro "getta le basi e dimostra il potenziale della piattaforma", afferma Brodnik. "Lavoreremo sicuramente per ottimizzare le prestazioni dei progetti esistenti, ma la piattaforma sblocca nuove funzionalità e manopole di progettazione che non vediamo l'ora di esplorare."
Molte applicazioni che implicano l'interfacciamento con le transizioni atomiche-pensano che il rilevamento e l'informatica quantistica-richiedano luce a lunghezze d'onda che abbracciano le bande d'onda del visibile e del vicino-infrarosso. "Le applicazioni che necessitano di instradare e accendere/spegnere rapidamente la luce, come l'elaborazione e il calcolo ottico dei dati, possono trarre vantaggio dalla piattaforma anche sfruttando altre funzionalità fisiche fornite dai materiali", afferma Brodnik. "La tecnologia di visualizzazione per i consumatori è forse un'altra applicazione. Ce ne sono molte altre-certamente non abbiamo nemmeno pensato, che ora possono essere prese in considerazione e sviluppate dalla comunità scientifica."
Il team ha "una manciata di interessanti architetture fotoniche attualmente in fase di progettazione, che richiedono una serie completa di funzionalità supportate dalla nostra piattaforma", afferma Brodnik. "Siamo inoltre entusiasti di collaborare con colleghi e altri ricercatori che ci hanno portato nuove idee e applicazioni che forse non avevamo considerato o che richiedono competenze condivise da perseguire. Tempi entusiasmanti."
