ความยาวคลื่นเลเซอร์ที่จำเป็นสำหรับการทดลองที่น่าสนใจที่สุดในปัจจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่มองเห็นได้ ถือเป็นความท้าทายในการจัดหาวงจรรวมโฟโตนิก (PIC) ขนาดเล็ก แต่นักวิจัยด้านโฟโตนิกส์ของสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (NIST) และเพื่อนร่วมงานที่ Octave Photonics กำลังเป็นหัวหอกในการแก้ปัญหาการเข้าถึงความยาวคลื่นนี้- และยังจัดการกับความท้าทายในการรวมฟังก์ชันโฟโตนิกต่างๆ เข้าด้วยกันเพื่อรองรับการสลับแสง การกำหนดเส้นทาง และการกรอง
แนวทางหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันคือการรวมวัสดุโฟโตนิกส์ต่างๆ เพื่อพยายามเปิดใช้งานฟังก์ชันต่างๆ เหล่านี้และใช้ประโยชน์จากจุดแข็งที่มีอยู่ แต่ไม่มีวัสดุชนิดเดียวที่สามารถทำได้ในทุกระดับที่ต้องการสำหรับการใช้งานใหม่ๆ
Grant M. Brodnik นักฟิสิกส์ในกลุ่ม Quantum และ Nonlinear Nanophotonics ของ NIST กล่าวว่า "งานของเราได้รับแรงบันดาลใจจากเป้าหมายอันสูงส่งในการบรรลุ 'เลเซอร์ความยาวคลื่นใดๆ' ที่สามารถเข้ากันได้โดยตรงกับเทคโนโลยีโฟโตนิกที่มีอยู่ "และเราสาธิตฟังก์ชันอื่นๆ เช่น หวีความถี่และการสร้างความต่อเนื่องขั้นสูง เนื่องจากแพลตฟอร์มรองรับฟังก์ชันเหล่านี้โดยตรง ความสามารถเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในแอปพลิเคชันที่สำคัญๆ มากมาย"
ขอบคุณครับ เลนส์ไม่เชิงเส้น
เพื่อให้เข้าถึงความเร็วของปัญญาประดิษฐ์ (AI) และความต้องการแอปพลิเคชันควอนตัม การเปลี่ยนจากอิเล็กตรอนไปเป็นโฟตอนถือเป็นสิ่งสำคัญ-และเลเซอร์ "ทุกความยาวคลื่น" ในระดับชิปก็เช่นกัน
คำอธิบายสั้นๆ เกี่ยวกับแนวทางใหม่ของทีม: เริ่มต้นด้วยแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนมาตรฐานที่เคลือบด้วยซิลิคอนไดออกไซด์ (แก้ว) และลิเธียมไนโอเบต ซึ่งเป็นวัสดุที่ไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งสามารถเปลี่ยนสีของแสงที่เข้ามาได้ การเพิ่มโลหะทำให้สามารถหมุนลิเธียมไนโอเบตด้วยระบบไฟฟ้า-เพื่อแปลงแสงสีหนึ่งไปเป็นสีอื่นๆ อินเทอร์เฟซลิเธียมไนโอเบตที่เป็นโลหะ-ที่คล้ายกันช่วยให้เปิด/ปิดไฟได้อย่างรวดเร็ว (ลองนึกถึงการกำหนดเส้นทางและการประมวลผลข้อมูลความเร็วสูง-)
การฝากรูปแบบที่ซับซ้อนของแทนทาลัมเพนท็อกไซด์หรือที่รู้จักในชื่อแทนทาลาไว้บนวงจรโฟโตนิกอื่น ๆ โดยตรงทำให้แพลตฟอร์มโฟโตนิกอเนกประสงค์สามารถทำงานได้ในคอนเสิร์ต แทนทาลาเป็นวัสดุไม่เชิงเส้นที่แข็งแกร่งและเหมาะสมอย่างยิ่งต่อการดำเนินการความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ "ในเชิงวิกฤต มันมีคุณสมบัติทางวัสดุที่น่าสนใจ (ที่เกี่ยวข้องกับการประดิษฐ์) ซึ่งทำให้สามารถรวมเข้ากับวัสดุโฟโตนิกอื่นๆ ได้โดยตรง" Brodnik กล่าว
เมื่อนักวิจัยสร้างลวดลายวัสดุที่ซ้อนทับกันในรูปแบบ 3 มิติ พวกเขาได้ชิปตัวเดียวที่ส่องเส้นทางแสงระหว่างชั้นต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ชิปนี้ผสมผสานความสามารถในการจัดการแสงของแทนทาลาเข้ากับความสามารถในการควบคุมของลิเธียมไนโอเบต
เลนส์ไม่เชิงเส้นเป็นฟิสิกส์ที่ "ไม่ใช่-ดังนั้น- สูตรลับ" ที่พวกเขาใช้ "เพื่อสร้างสีใหม่ทั้งหมดของแสงจากสีเดียวที่เราใส่เข้าไป" Brodnik อธิบาย "ถ้าคุณถ่ายภาพด้วยกล้อง คุณไม่คาดหวังว่าสีของภาพจะเปลี่ยนไปเมื่อผ่านเลนส์ แต่ด้วยวัสดุที่ไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งกำลังแสงสูงจากเลเซอร์ สิ่งที่เกิดขึ้นก็เป็นเช่นนั้นจริงๆ เป็นเทคนิคสำคัญที่ขับเคลื่อน-เลเซอร์มาตราส่วนบนโต๊ะซึ่งสร้างสีที่กำหนดเองได้มากมายในปัจจุบัน เราใช้เทคนิคเหล่านี้-แต่ด้วยวงจรโฟโตนิกภายในอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่าขนาดของเมล็ดข้าว"
แง่มุมที่เจ๋งที่สุดของงานนี้สำหรับ Brodnik คือการได้เห็น "แสงสีใหม่ๆ ที่มักจะแวววาวพุ่งออกมาจากอุปกรณ์ของเราจากการแปลงแสงอินพุต (ซึ่งตาของเรามองไม่เห็น)" เขากล่าว "ในห้องแล็บ โดยมีชิปอยู่บนขั้นตอนการทดสอบ เราจะค่อยๆ หมุนพารามิเตอร์การทำงาน และบูมสีน้ำเงินสดใส-เริ่มเรืองแสงไปทั่วชิป บนอุปกรณ์ถัดไป เราทำให้เป็นสีน้ำเงิน-สีม่วง มันให้ความรู้สึกเหมือนมีมนต์ขลังเล็กน้อย"
งานของพวกเขา "วางรากฐานและแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของแพลตฟอร์ม" Brodnik กล่าว "เราจะทำงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของการออกแบบที่มีอยู่อย่างแน่นอน แต่แพลตฟอร์มนี้จะปลดล็อกฟังก์ชันการทำงานและปุ่มการออกแบบใหม่ที่เรารู้สึกตื่นเต้นที่จะสำรวจ"
แอปพลิเคชันจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อการเปลี่ยนผ่านของอะตอม-คิดว่าการตรวจจับควอนตัมและการคำนวณ-ต้องใช้แสงที่ความยาวคลื่นซึ่งครอบคลุมแถบคลื่นอินฟราเรดที่มองเห็นได้และใกล้- "แอพพลิเคชันที่ต้องการกำหนดเส้นทางและเปิด/ปิดไฟอย่างรวดเร็ว เช่น การประมวลผลข้อมูลออปติคัลและการคำนวณ จะได้รับประโยชน์จากแพลตฟอร์มนี้เช่นกันโดยการใช้ประโยชน์จากฟังก์ชันทางฟิสิกส์อื่นๆ ที่วัสดุมีให้" Brodnik กล่าว "เทคโนโลยีการแสดงผลสำหรับผู้บริโภคอาจเป็นอีกแอปพลิเคชันหนึ่ง ยังมีอีกมากมาย-แน่นอนที่เรายังไม่ได้คิด ซึ่งขณะนี้ชุมชนวิทยาศาสตร์สามารถพิจารณาและพัฒนาได้"
ทีมงานมี "สถาปัตยกรรมโฟโตนิกที่น่าตื่นเต้นจำนวนหนึ่งซึ่งขณะนี้อยู่ในขั้นตอนการออกแบบ ซึ่งต้องการความสามารถเต็มรูปแบบที่แพลตฟอร์มของเรารองรับ" Brodnik กล่าว "เรายังรู้สึกตื่นเต้นที่ได้ร่วมงานกับเพื่อนร่วมงานและนักวิจัยคนอื่นๆ ที่ได้นำเสนอแนวคิดและการใช้งานใหม่ๆ ให้กับเรา ซึ่งเราอาจไม่เคยพิจารณาหรือต้องการความเชี่ยวชาญร่วมกันเพื่อดำเนินการ ช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้น"
