I microrisonatori a guida d'onda ottica creati dal gruppo del professor Won Park presso l'Università del Colorado Boulder stanno aprendo le porte a nuove tecnologie di sensori su-chip.
Questi minuscoli sensori ottici intrappolano la luce sul-chip e ne determinano l'intensità-e il loro alto-Q e la non linearità li rendono ideali per applicazioni quali laser a larghezza di linea stretta- tramite scattering Brillouin e Raman stimolato, generazione di pettini di frequenza o elaborazione di informazioni quantistiche.
"Siamo interessati a esplorare l'ottica non lineare con nuovi materiali-nel nostro caso, i calcogenuri, noti per la loro trasparenza a lunga lunghezza d'onda, l'elevata non linearità e una natura amorfa che hanno possibilità di integrazione con altri materiali come il niobato di litio e il nitruro di silicio", spiega Park, professore di ingegneria elettrica.
Eulero?
Il design del microrisonatore a guida d'onda ottica del gruppo si basa sulle curve a "U" di Eulero, che consentono alla luce di rimanere all'interno del microrisonatore per circa 3 nanosecondi (durante la vita del fotone di 3-ns, la luce viaggia per circa mezzo metro o quasi un migliaio di viaggi di andata e ritorno). Ciò aumenta la lunghezza del percorso dei dispositivi e consente interazioni ottiche non lineari. In sostanza, offre ai ricercatori il controllo della perdita di piegatura inerente ai microrisonatori e consente dispositivi con perdite ultrabasse simili ad altre piattaforme di materiali all'avanguardia.
Le simulazioni sono state fondamentali per identificare il motivo per cui i risonatori tradizionali perdono così tanta luce. "Abbiamo utilizzato COMSOL Multiphysics per calcolare le distribuzioni dei campi modali ed eseguire integrali di sovrapposizione", afferma Park. "Ciò ci ha permesso di individuare un 'punto debole' all'incrocio in cui si incontrano le guide d'onda diritte e curve. Abbiamo anche utilizzato simulazioni FDTD per modellare il modo in cui la luce si propaga attraverso le curve di Eulero per garantire di poter sopprimere l'eccitazione della modalità di ordine superiore che in genere affligge questi dispositivi di piccolo-ingombro."
Il gruppo ha effettivamente progettato le strutture per un altro esperimento ed è rimasto molto sorpreso nello scoprire un'elevata-Q fattori che da allora si sono ripetuti in due diverse camere bianche.
"Il nostro momento 'aha' è stato renderci conto che utilizzando le curve di Eulero-dove la curvatura cambia linearmente-potevamo essenzialmente 'ingannare' la luce facendola rimanere nella modalità fondamentale nonostante le curve molto strette", afferma Park. "È stato incredibilmente gratificante vedere i nostri risultati sperimentali corrispondere al fattore di qualità intrinseca teorico di 4,55 × 106. Il raggiungimento della cifra di merito non lineare più alta riportata per i PIC calcogenuri è la ciliegina sulla torta."
Sfida di litografia
Per arrivarci, il gruppo ha dovuto prima sviluppare un processo di modellazione litografica a fascio di elettroni per il proprio materiale, perché la litografia tradizionale che utilizza i fotoni è limitata dalla lunghezza d’onda della luce.
Principale ostacolo coinvolto? Sensibilità materiale. "I calcogenuri possono soffrire di ossidazione superficiale e assorbimento correlato alle impurità-", afferma Park. "In uno sforzo guidato da due studenti laureati, Bright Lu e James Erikson, abbiamo superato questo problema utilizzando un processo di ricottura sotto vuoto a 250 gradi per migliorare l'omogeneità del materiale e ridurre la ruvidità superficiale. Avevamo anche bisogno di calibrare con precisione il nostro tricloruro di boro (BCl3) e miscela di gas argon (Ar) durante l'attacco con ioni reattivi al plasma accoppiato induttivamente (ICP RIE) per garantire pareti laterali lisce, fondamentali per mantenere un livello "ultra elevato-Q' prestazione."
Il "coltellino svizzero" per i PIC
Questi risonatori sono simili a "un coltellino svizzero per i PIC", afferma Park. "A causa dell'alto-Qe non linearità, sono perfetti per un'ampia varietà di applicazioni come laser a larghezza di linea stretta- tramite scattering Brillouin e Raman stimolato, generazione di pettini di frequenza per metrologia e telecomunicazioni o elaborazione di informazioni quantistiche dove i componenti a bassa-perdita su-chip non sono negoziabili."
Ora che il gruppo di Park ha dimostrato le basse-capacità di perdita della piattaforma (perdita di assorbimento di 0,43 dB/m), stanno tenendo d'occhio il limite massimo di perdita. "Stiamo inoltre ampliando ulteriormente le guide d'onda per spostarci verso prestazioni "materiali-limitate", il che potrebbe potenzialmente spingere la nostraQ-fattori ancora più elevati e consentono interazioni non lineari ancora più efficienti", afferma.
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