TPA-QCN được lắng đọng thông qua quá trình bay hơi chân không để tạo thành một lớp phân tử tự động áp dụng hướng ưu tiên. Sự căn chỉnh này cung cấp cho nó phản hồi phi tuyến quang học bậc hai-, có nghĩa là các chùm ánh sáng có thể tương tác khi truyền qua nó.
Kéna-Cohen, giáo sư vật lý kỹ thuật, đồng thời là Chủ tịch nghiên cứu Canada về Ánh sáng-Quang tử vật chất, cho biết: "Chúng tôi lấy cảm hứng từ công việc tuyệt vời được thực hiện trong một lĩnh vực hoàn toàn khác-điốt phát quang hữu cơ-(OLED) dành cho màn hình". "Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng một số loại phân tử nhất định tự động sắp xếp trong quá trình chế tạo. Trong trường hợp của họ, điều này dẫn đến sự tích tụ điện áp thường làm tổn hại đến hiệu suất thiết bị. Sự tích tụ điện áp này, đòi hỏi các phân tử phân cực phải định hướng theo hướng ưu tiên, là dấu hiệu đầu tiên cho thấy chúng ta có thể sử dụng các vật liệu tương tự cho quang học phi tuyến tính."
Thứ hai-đặt hàng trước các thiết bị quang tử phi tuyến
Silicon là nền tảng thống trị cho quang tử tích hợp ngày nay, nhưng nó không tốt cho việc chế tạo bộ điều biến và bộ khuếch đại. Kéna-Cohen giải thích: "Một thành phần silicon cần thiết để tạo ra các bộ điều biến tốt là hiệu ứng Pockels, cho phép một-điện trường trực tiếp tương tác với một điện trường ở tần số quang-và đó là một ví dụ điển hình về hiệu ứng quang học phi tuyến bậc-thứ hai," Kéna-Cohen giải thích. "Bộ khuếch đại tham số và bộ tạo dao động dựa vào sự phi tuyến tính bậc hai. Đối với những loại hiệu ứng này, các kỹ sư cần sử dụng các vật liệu khác như lithium niobate làm thành phần độc lập hoặc thực hiện quy trình phức tạp để tích hợp cả hai."
Một khái niệm khác liên quan đến việc thiết kế các thành phần quang tử phi tuyến tính-thứ hai là yêu cầu khớp pha-tốc độ pha của sóng ánh sáng tương tác cần phải khớp để tránh hiệu ứng giao thoa triệt tiêu. "Thật không may, thực tế là tất cả các vật liệu đều có sự phân tán tự động ngăn chặn điều này, vì vậy cần phải sử dụng các thủ thuật thông minh để khớp pha. Trong lithium niobate, một phương pháp phổ biến là sử dụng các điện cực dọc theo hướng truyền để lật hướng miền-hay còn gọi là đánh bóng điện trường."
Ưu điểm: Gửi trực tiếp vào-chip, có khả năng lưỡng chiết
Cách tiếp cận của nhóm mang lại hai lợi thế chính. Kéna-Cohen cho biết: "Đầu tiên, màng mỏng hữu cơ của chúng tôi có thể được lắng trực tiếp lên bất kỳ con chip nào bằng cách sử dụng quy trình chế tạo khô tiêu chuẩn-mà không cần lo lắng về việc khớp hoặc chuyển mạng tinh thể".
Thứ hai, màng của họ thể hiện khả năng lưỡng chiết cực kỳ mạnh so với hầu hết các vật liệu quang tử thông thường. “Sự lưỡng chiết này mạnh đến mức nó cho phép chúng ta phối hợp pha ‘miễn phí’ nếu chúng ta sử dụng các tương tác giữa các chế độ phân cực khác nhau, vì các độ phân cực khác nhau sẽ có chiết suất khác nhau,” ông nói. “Điều đó có nghĩa là chúng tôi có thể chế tạo các thiết bị rất hiệu quả mà không cần đến các điện cực để đánh bóng hoặc phải sử dụng các kiến trúc phức tạp hơn.”
Họ đã sử dụng cách tiếp cận của mình để chứng minh ví dụ đơn giản nhất về quy trình phi tuyến tính-thứ hai: Tạo sóng hài-thứ hai, hay còn gọi là nhân đôi tần số. Để làm điều đó, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một ống dẫn sóng chuyển đổi ánh sáng viễn thông có sóng-liên tục thành ánh sáng khả kiến (xem hình bên dưới).
Một khái niệm khác liên quan đến việc thiết kế các thành phần quang tử phi tuyến tính-thứ hai là yêu cầu khớp pha-tốc độ pha của sóng ánh sáng tương tác cần phải khớp để tránh hiệu ứng giao thoa triệt tiêu. "Thật không may, thực tế là tất cả các vật liệu đều có sự phân tán tự động ngăn chặn điều này, vì vậy cần phải sử dụng các thủ thuật thông minh để khớp pha. Trong lithium niobate, một phương pháp phổ biến là sử dụng các điện cực dọc theo hướng truyền để lật hướng miền-hay còn gọi là đánh bóng điện trường."
Ưu điểm: Gửi trực tiếp vào-chip, có khả năng lưỡng chiết
Cách tiếp cận của nhóm mang lại hai lợi thế chính. Kéna-Cohen cho biết: "Đầu tiên, màng mỏng hữu cơ của chúng tôi có thể được lắng trực tiếp lên bất kỳ con chip nào bằng cách sử dụng quy trình chế tạo khô tiêu chuẩn-mà không cần lo lắng về việc khớp hoặc chuyển mạng tinh thể".
Thứ hai, màng của họ thể hiện khả năng lưỡng chiết cực kỳ mạnh so với hầu hết các vật liệu quang tử thông thường. “Sự lưỡng chiết này mạnh đến mức nó cho phép chúng ta phối hợp pha ‘miễn phí’ nếu chúng ta sử dụng các tương tác giữa các chế độ phân cực khác nhau, vì các độ phân cực khác nhau sẽ có chiết suất khác nhau,” ông nói. “Điều đó có nghĩa là chúng tôi có thể chế tạo các thiết bị rất hiệu quả mà không cần đến các điện cực để đánh bóng hoặc phải sử dụng các kiến trúc phức tạp hơn.”
Họ đã sử dụng cách tiếp cận của mình để chứng minh ví dụ đơn giản nhất về quy trình phi tuyến tính-thứ hai: Tạo sóng hài-thứ hai, hay còn gọi là nhân đôi tần số. Để làm điều đó, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một ống dẫn sóng chuyển đổi ánh sáng viễn thông có sóng-liên tục thành ánh sáng khả kiến (xem hình bên dưới).
