Các bước sóng laser cần thiết cho nhiều thí nghiệm hấp dẫn nhất hiện nay, đặc biệt là trong phạm vi khả kiến, là một thách thức đối với nguồn cung cấp các mạch tích hợp quang tử cực nhỏ (PIC). Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu và đồng nghiệp về quang tử của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) tại Octave Photonics đang dẫn đầu một giải pháp cho vấn đề truy cập bước sóng này-và cũng giải quyết các thách thức trong việc hợp nhất các chức năng quang tử khác nhau để hỗ trợ chuyển mạch, định tuyến và lọc quang
Một cách tiếp cận phổ biến hiện nay là kết hợp các vật liệu quang tử khác nhau để cố gắng kích hoạt các chức năng khác nhau này và tận dụng sức mạnh ở những nơi chúng tồn tại, nhưng không một vật liệu đơn lẻ nào có thể làm được điều đó ở tất cả các quy mô mong muốn để cung cấp các ứng dụng mới.
Grant M. Brodnik, nhà vật lý thuộc Nhóm Quang tử nano phi tuyến và Lượng tử của NIST, cho biết: “Công trình của chúng tôi được lấy cảm hứng từ mục tiêu cao cả là đạt được ‘bất kỳ tia laser có bước sóng nào’, có khả năng tương thích trực tiếp với các công nghệ quang tử hiện có”. "Và chúng tôi đã trình diễn các chức năng khác như tổ hợp tần số và tạo siêu liên tục vì nền tảng này hỗ trợ chúng trực tiếp. Những khả năng này đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng quan trọng."
Cảm ơn bạn, quang học phi tuyến
Để đạt được tốc độ mà trí tuệ nhân tạo (AI) và ứng dụng lượng tử yêu cầu, việc chuyển đổi từ electron sang photon là rất quan trọng-và laser "bất kỳ bước sóng" quy mô chip nào cũng vậy.
Giải thích ngắn gọn về phương pháp mới của nhóm: Nó bắt đầu với một tấm wafer silicon tiêu chuẩn được phủ silicon dioxide (thủy tinh) và lithium niobate, một vật liệu phi tuyến có thể thay đổi màu sắc của ánh sáng đi vào nó. Việc thêm kim loại cho phép lithium niobate được quay số bằng điện-để chuyển đổi màu ánh sáng này sang màu khác. Các giao diện lithium niobate-kim loại tương tự có thể cho phép bật/tắt ánh sáng nhanh chóng (ví dụ như định tuyến và xử lý dữ liệu tốc độ cao).
Việc lắng đọng các mẫu phức tạp của tantalum pentoxide, hay còn gọi là tantala, trực tiếp lên trên mạch quang tử khác cho phép các nền tảng quang tử linh hoạt hoạt động đồng bộ. Tantala là vật liệu phi tuyến mạnh và rất phù hợp với hoạt động ở bước sóng khả kiến. Brodnik nói: “Điều quan trọng là nó có các đặc tính vật liệu hấp dẫn (liên quan đến chế tạo của nó) khiến nó có thể tích hợp trực tiếp với các vật liệu quang tử khác”.
Khi các nhà nghiên cứu sắp xếp các vật liệu chồng lên nhau theo kiểu xếp chồng 3D, họ đã tạo ra một con chip duy nhất có khả năng định hướng ánh sáng giữa các lớp một cách hiệu quả. Con chip này kết hợp khả năng thao tác ánh sáng của tantala với khả năng điều khiển của lithium niobate.
Brodnik giải thích: Quang học phi tuyến là loại vật lý "không{0}}quá{1}}bí mật" mà họ tận dụng "để tạo ra các màu ánh sáng hoàn toàn mới từ một màu duy nhất mà chúng tôi đưa vào". "Nếu bạn chụp ảnh bằng máy ảnh, bạn không mong đợi màu sắc của hình ảnh sẽ thay đổi khi đi qua thấu kính. Nhưng với các vật liệu phi tuyến có công suất quang học cao do tia laze cung cấp, điều đó chính xác sẽ xảy ra. Đó là kỹ thuật quan trọng cung cấp năng lượng cho các tia laze có tỷ lệ để bàn-tạo ra nhiều màu tùy chỉnh ngày nay. Chúng tôi sử dụng các kỹ thuật này-nhưng với mạch quang tử bên trong các thiết bị có kích thước nhỏ hơn kích thước của một hạt gạo."
Khía cạnh thú vị nhất của công việc này đối với Brodnik là nhìn thấy "những màu sắc ánh sáng mới, thường rực rỡ bật ra từ thiết bị của chúng tôi từ việc chuyển đổi ánh sáng đầu vào (thứ mà mắt chúng ta không thể nhìn thấy)", ông nói. "Trong phòng thí nghiệm, với một con chip đang ở giai đoạn thử nghiệm, chúng tôi từ từ quay số các thông số vận hành và, bùm, màu xanh lam{1}}màu xanh lam rực rỡ bắt đầu phát sáng khắp con chip. Trên thiết bị tiếp theo, chúng tôi biến nó thành màu xanh lam-tím. Cảm giác này hơi giống phép thuật."
Brodnik cho biết công việc của họ "đặt nền tảng và thể hiện tiềm năng của nền tảng". "Chắc chắn chúng tôi sẽ làm việc để tối ưu hóa hiệu suất của các thiết kế hiện có, nhưng nền tảng này sẽ mở ra các chức năng mới và các nút thiết kế mà chúng tôi rất hào hứng khám phá."
Nhiều ứng dụng liên quan đến việc giao tiếp với các chuyển đổi nguyên tử-hãy nghĩ đến cảm biến và tính toán lượng tử-yêu cầu ánh sáng ở các bước sóng trải rộng trên dải sóng nhìn thấy và{2}}hồng ngoại gần. Brodnik cho biết: “Các ứng dụng cần định tuyến và bật/tắt đèn nhanh chóng, như xử lý và tính toán dữ liệu quang học, cũng có thể hưởng lợi từ nền tảng này bằng cách tận dụng các chức năng vật lý khác mà vật liệu cung cấp”. "Công nghệ màn hình dành cho người tiêu dùng có lẽ là một ứng dụng khác. Có nhiều ứng dụng khác-chắc chắn là chúng tôi chưa nghĩ ra, hiện có thể được cộng đồng khoa học xem xét và phát triển."
Brodnik cho biết nhóm có "một số kiến trúc quang tử thú vị hiện đang trong giai đoạn thiết kế, đòi hỏi đầy đủ các khả năng mà nền tảng của chúng tôi hỗ trợ". "Chúng tôi cũng rất vui mừng được cộng tác với các đồng nghiệp và nhà nghiên cứu khác, những người đã mang đến cho chúng tôi những ý tưởng và ứng dụng mới mà có lẽ chúng tôi chưa xem xét hoặc chưa yêu cầu chia sẻ kiến thức chuyên môn để theo đuổi. Thật thú vị."
