Bộ cộng hưởng vi mô dẫn sóng quang học do nhóm của Giáo sư Won Park tại Đại học Colorado Boulder tạo ra đang mở rộng cánh cửa cho các công nghệ cảm biến chip mới trên-.
Những cảm biến quang học cực nhỏ này bẫy ánh sáng trên-chip và tạo ra cường độ-cũng như mức cao- của chúngQ hệ số và tính phi tuyến khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng chẳng hạn như laser có độ rộng đường truyền hẹp-thông qua tán xạ Brillouin và Raman kích thích, tạo lược tần số hoặc xử lý thông tin lượng tử.
Park, giáo sư kỹ thuật điện, giải thích: "Chúng tôi quan tâm đến việc khám phá quang học phi tuyến với các vật liệu mới{0}}trong trường hợp của chúng tôi là chalcogenides, được biết đến với độ trong suốt bước sóng dài, tính phi tuyến cao và tính chất vô định hình có khả năng tích hợp với các vật liệu khác như lithium niobate và silicon nitride".
Euler?
Thiết kế bộ cộng hưởng vi mô dẫn sóng quang học của nhóm dựa trên sự uốn cong Euler "U", cho phép ánh sáng tồn tại bên trong bộ cộng hưởng vi mô trong khoảng 3 nano giây (trong suốt thời gian tồn tại của photon 3-ns, ánh sáng truyền đi khoảng nửa mét hoặc gần một nghìn vòng). Điều này làm tăng độ dài đường dẫn của thiết bị và cho phép tương tác quang học phi tuyến. Về cơ bản, nó cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát độ suy giảm uốn cong vốn có trong các bộ cộng hưởng vi mô và cho phép các thiết bị suy hao cực thấp-tương tự như các nền tảng vật liệu hiện đại-của{7}}hiện đại khác.
Mô phỏng rất quan trọng để xác định lý do tại sao các bộ cộng hưởng truyền thống lại mất nhiều ánh sáng đến vậy. Park cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng COMSOL Multiphysicals để tính toán phân bố trường mode và thực hiện tích phân chồng lấp”. "Điều này cho phép chúng tôi xác định chính xác 'điểm tuyệt vời' tại điểm giao nhau nơi các ống dẫn sóng thẳng và cong gặp nhau. Chúng tôi cũng sử dụng mô phỏng FDTD để lập mô hình cách ánh sáng truyền qua các đường cong Euler nhằm đảm bảo chúng tôi có thể ngăn chặn sự kích thích ở chế độ{3}}thứ tự cao hơn thường gây khó khăn cho các thiết bị-dấu chân nhỏ này."
Nhóm thực sự đã thiết kế cấu trúc cho một thử nghiệm khác và rất ngạc nhiên khi phát hiện ra cấu trúc cao-Q kể từ đó họ đã lặp lại các yếu tố trong hai phòng sạch khác nhau.
Park nói: "Khoảnh khắc 'aha' của chúng tôi là nhận ra rằng bằng cách sử dụng các đường cong Euler-trong đó độ cong thay đổi tuyến tính-về cơ bản, chúng tôi có thể 'đánh lừa' ánh sáng để duy trì chế độ cơ bản mặc dù có những khúc cua rất chặt". "Thật vô cùng bổ ích khi thấy kết quả thử nghiệm của chúng tôi phù hợp với hệ số chất lượng nội tại theo lý thuyết là 4,55 × 106. Việc đạt được thành tích phi tuyến tính cao nhất được báo cáo đối với PIC chalcogenide là điều quan trọng nhất."
Thử thách in thạch bản
Để đạt được điều đó, trước tiên nhóm phải phát triển quy trình tạo mẫu in thạch bản bằng chùm tia điện tử cho vật liệu của họ, bởi vì kỹ thuật in thạch bản truyền thống sử dụng photon bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng.
Trở ngại chính liên quan? Độ nhạy vật liệu. Park cho biết: "Chalcogenides có thể bị oxy hóa bề mặt và hấp thụ liên quan đến tạp chất". "Trong nỗ lực do hai sinh viên tốt nghiệp, Bright Lu và James Erikson dẫn đầu, chúng tôi đã khắc phục điều này bằng cách sử dụng quy trình ủ chân không ở 250 độ để cải thiện tính đồng nhất của vật liệu và giảm độ nhám bề mặt. Chúng tôi cũng cần hiệu chỉnh chính xác boron trichloride (BCl)3) và hỗn hợp khí argon (Ar) trong quá trình khắc ion phản ứng plasma kết hợp cảm ứng (ICP RIE) để đảm bảo các thành bên trơn tru, điều này rất quan trọng để duy trì 'siêu cao-Q' hiệu suất."
'Con dao quân đội Thụy Sĩ' cho PIC
Park cho biết, những bộ cộng hưởng này giống như “con dao quân đội Thụy Sĩ dành cho PIC”. "Vì độ cao-Qhệ số và phi tuyến tính, chúng hoàn hảo cho nhiều ứng dụng như laze có băng thông hẹp-thông qua tán xạ Brillouin và Raman kích thích, tạo lược tần số cho đo lường và viễn thông hoặc xử lý thông tin lượng tử trong đó-tổn thất thấp trên-các thành phần chip là không thể thương lượng được."
Giờ đây, nhóm của Park đã chứng minh được khả năng suy hao-thấp của nền tảng (tổn thất hấp thụ 0,43 dB/m), họ đang chú ý đến giới hạn suy hao cuối cùng. "Chúng tôi cũng đang mở rộng các ống dẫn sóng hơn nữa để hướng tới hiệu suất 'vật chất{3}}giới hạn', điều này có khả năng đẩy chúng tôiQ-hệ số thậm chí còn cao hơn và cho phép các tương tác phi tuyến hiệu quả hơn nữa," ông nói.
ĐỌC THÊM
