İki malzeme, bir fotonik çip: Işık frekansları üretmenin yeni bir yolunun kilidini açmak

Modern fotonik çipler, karmaşık optik işlevleri tırnaktan daha küçük cihazlara sığdırabilir. İletişimden algılamaya kadar çeşitli uygulamalar için ışığı üretmek, yönetmek ve ölçmek amacıyla giderek daha fazla kullanılıyorlar. Ancak bu çiplerin çoğu, ağır işleri yapmak için tek bir malzemeye dayanıyor ve bu da üretebilecekleri optik efektlerin aralığını sınırlıyor.

Araştırmacılar artık farklı bir yaklaşım ortaya koydu: İki materyalin çalışmayı paylaşmasına izin vermek. Bildirildiği gibi Gelişmiş FotonikBilim adamları normalde ayrı ayrı meydana gelen iki doğrusal olmayan optik etkiyi birleştirdiler. Cihazları, optik frekans tarakları oluşturmak için bir silikon nitrür çekirdeği kullanırken, çevredeki silika katmanı Raman saçılımını üretiyor.

Ekip, her iki malzemenin güçlü yönlerinden aynı anda yararlanarak, bir çip üzerinde geniş aralıkta ışık frekansı üretebilen yeni bir tür entegre fotonik cihaz yarattı.

Kaplamanın aktif malzeme olarak kullanılması

İlk bakışta fikir basit görünüyor. Bir fotonik devre boyunca ilerleyen ışık genellikle bir dalga kılavuzunun çekirdeğinde yoğunlaşırken, çevredeki kaplama esas olarak ışığı sınırlamaya yarar. Araştırmacılar, dolaşan ışığın bir kısmının doğal olarak kaplamaya doğru uzandığını fark etti. Bu bölgeyi pasif olarak ele almak yerine, cihazı ışığın bu bölgeyle güçlü bir şekilde etkileşime girebileceği şekilde tasarladılar.

Sonuç, her malzemenin farklı bir yeteneğe katkıda bulunduğu hibrit bir sistemdir. Silika, ışığın moleküler titreşimlerle etkileşime girdiği ve yeni bir frekansta ortaya çıktığı bir süreç olan Raman kazancını sağlar. Bu arada silikon nitrür, optik frekans tarakları (çoğunlukla optik cetveller olarak tanımlanan, kesin aralıklı ışık frekansları kümeleri) üretebilen güçlü Kerr doğrusal olmama özelliğiyle iyi biliniyor.

Cihaz, silika ile çevrelenmiş bir silikon nitrür halka rezonatöründen oluşur. Dolaşan optik alanın yaklaşık %31’i kaplamayla örtüşüyor ve ışığın halka etrafında dolaşırken her iki malzemeyle etkileşime girmesine izin veriyor.

Bu düzenleme, silikon nitrür entegreli fotoniklerde daha önce gözlemlenmemiş bir şeyi mümkün kıldı: Raman lazeri. Silisyum nitrür, düşük optik kayıpları ve geniş çalışma aralığı nedeniyle entegre fotonikte en önemli malzemelerden biri haline gelirken, tek başına yeterli Raman kazancını sağlayamıyor. Araştırmacılar bu yeteneği silika kaplamadan ödünç alarak bu sınırlamanın üstesinden gelmeyi başardılar.

Raman sinyalinden taraklara

Konsepti test etmek için ekip, silika ile kaplanmış silikon nitrür halka rezonatörleri üretti ve bunları sürekli dalga lazeriyle pompaladı. Lazer ışığı rezonatöre girdiğinde, pompa dalga boyundan 11 terahertz kayan bir frekansta yeni bir sinyal ortaya çıktı; silikadaki Raman saçılımının imzası.

Araştırmacılar pompa dalga boyunu değiştirdikçe, yeni sinyal de aynı frekans ayrımını korurken buna göre kayarak etkinin kaynağını doğruladı.

Deneyler, cihazın içindeki optik davranışın adım adım evrimini ortaya çıkardı. Başlangıçta rezonatör, Stokes ve Stokes karşıtı yan bantlar olarak bilinen Raman lazer sinyallerini üretti. Giriş gücü arttıkça, silikon nitrür çekirdeğin içinde dört dalgalı karıştırma adı verilen başka bir doğrusal olmayan süreç devreye girmeye başladı. Orijinal lazer dalga boyunun ve Raman’ın ürettiği ışığın çevresinde yeni frekanslar ortaya çıktı. Sonunda bu frekanslar geniş optik frekans taraklarına bölündü.

Araştırmacılar daha sonra silikon nitrür dalga kılavuzunun boyutlarını ayarlayarak performansı artırdı. Dalga kılavuzu genişliğindeki küçük bir artış, farklı dalga boylarının rezonatörden geçme şeklini değiştirerek optik modların daha verimli etkileşime girmesine olanak sağladı. Değiştirilen tasarım, 400 nanometreden fazla alana yayılan frekans tarakları üretti ve yalnızca pompa dalga boyu çevresinde değil aynı zamanda birden fazla Raman kaydırmalı dalga boyu çevresinde de tarak çizgileri oluşturdu.

Ölçümler teorik tahminlerle yakından eşleşti. Araştırmacılar, Raman lazerinin yaklaşık 140 miliwatt çip üstü optik güçle başlaması gerektiğini hesapladı. Deneyler 143 miliwatt’lık bir eşik değeri ölçtü ve Raman etkisinin gerçekten de silika kaplamadan kaynaklandığına dair güçlü kanıtlar sağladı.

Fotonik çipler için daha geniş bir tarif

Oluşturulan taraklar tam olarak tutarlı olmasa da sistem %32’nin üzerinde bir güç dönüştürme verimliliğine ulaştı; bu, gelen ışığın büyük bir kısmının yeni frekanslara dönüştürüldüğü anlamına geliyor. Araştırmacılar, cihazın daha fazla mühendisliğinin, verimliliğini korurken tutarlılığı artırabileceğine inanıyor.

Anlık sonuçların ötesinde çalışma, fotonik çipler için daha geniş bir tasarım felsefesine işaret ediyor. Gelecekteki cihazlar, her şeyi iyi yapabilecek tek bir malzeme aramak yerine, her biri belirli bir optik işlev için seçilen birden fazla malzemeyi birleştirebilir. Yazarlar, benzer hibrit sistemlerin, geniş bantlı süper süreklilik kaynakları veya bir çip üzerinde kendi kendine referanslı frekans tarakları gibi yeni yetenekleri mümkün kılmak için farklı doğrusal olmayan özelliklere sahip malzemeleri entegre edebileceğini öne sürüyor.

Çalışma, genellikle destekleyici yapılar olarak kabul edilen katmanların, fotonik cihazlarda aktif katılımcılar haline gelebileceğini göstermektedir. Silika kaplamayı bir Raman kazanımı kaynağına dönüştürerek ve onu silikon nitrür çekirdeğin tarak üretme yeteneğiyle eşleştirerek araştırmacılar, entegre fotonik devrelerin yapabileceklerini genişletmek için yeni bir yol oluşturdular.