เครื่องสะท้อนเสียงขนาดเล็กของท่อนำคลื่นแบบออปติคัลที่สร้างขึ้นโดยกลุ่มของศาสตราจารย์วอน พาร์คที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ กำลังเปิดประตูสู่เทคโนโลยีเซ็นเซอร์บนชิปใหม่ๆ-ที่เปิดกว้าง
เซ็นเซอร์ออปติคอลขนาดเล็กเหล่านี้ดักจับแสงบน-ชิปและสร้างความเข้มของแสง-และค่าสูง-Q ปัจจัยและความไม่เป็นเชิงเส้นทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น เลเซอร์ความกว้างเส้นตรง-ที่แคบ ผ่านการกระเจิงของบริลโลอินและรามันแบบกระตุ้น การสร้างหวีความถี่ หรือการประมวลผลข้อมูลควอนตัม
"เราสนใจที่จะสำรวจทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นด้วยวัสดุใหม่ๆ- ในกรณีของเราคือคาลโคเจนไนด์ ซึ่งทราบกันดีว่ามีความยาวคลื่นโปร่งใส มีความไม่เชิงเส้นสูง และมีลักษณะเป็นอสัณฐานซึ่งมีความเป็นไปได้ในการบูรณาการกับวัสดุอื่นๆ เช่น ลิเธียมไนโอเบตและซิลิคอนไนไตรด์" Park ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าอธิบาย
ออยเลอร์?
การออกแบบไมโครเรโซเนเตอร์ท่อนำคลื่นแสงของกลุ่มมีพื้นฐานมาจากการโค้งงอของออยเลอร์ "U" ซึ่งช่วยให้แสงคงอยู่ภายในไมโครเรโซเนเตอร์เป็นเวลาประมาณ 3 นาโนวินาที (ในช่วงอายุโฟตอน 3-ns แสงเดินทางประมาณครึ่งเมตรหรือเกือบหนึ่งพันรอบการเดินทาง) สิ่งนี้จะเพิ่มความยาวเส้นทางของอุปกรณ์และเปิดใช้งานการโต้ตอบทางแสงแบบไม่เชิงเส้น โดยพื้นฐานแล้วมันช่วยให้นักวิจัยสามารถควบคุมการสูญเสียการโค้งงอที่มีอยู่ในไมโครเรโซเนเตอร์ และเปิดใช้งานอุปกรณ์-การสูญเสียที่ต่ำมากเป็นพิเศษ ซึ่งคล้ายกับ-สถานะอื่นๆ ของ-แพลตฟอร์มวัสดุที่ทันสมัย
การจำลองมีความสำคัญอย่างยิ่งในการระบุว่าเหตุใดตัวสะท้อนเสียงแบบเดิมจึงสูญเสียแสงไปมาก "เราใช้ COMSOL Multiphysics เพื่อคำนวณการกระจายฟิลด์ของโหมดและดำเนินการอินทิกรัลที่ทับซ้อนกัน" Park กล่าว "สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถระบุ 'จุดที่น่าสนใจ' ที่ทางแยกที่ท่อนำคลื่นแบบตรงและแบบโค้งมาบรรจบกัน นอกจากนี้เรายังใช้การจำลอง FDTD เพื่อจำลองวิธีที่แสงแพร่กระจายผ่านเส้นโค้งออยเลอร์เพื่อให้แน่ใจว่าเราสามารถระงับ-การกระตุ้นโหมดลำดับที่สูงขึ้นซึ่งโดยทั่วไปจะรบกวนอุปกรณ์-รอยเท้าขนาดเล็กเหล่านี้"
กลุ่มนี้ได้ออกแบบโครงสร้างสำหรับการทดลองอื่นจริงๆ และรู้สึกประหลาดใจมากที่พบว่ามีความสูง-Q ปัจจัยต่างๆ ที่เกิดขึ้นซ้ำๆ กันภายในห้องปลอดเชื้อสองห้องที่แตกต่างกัน
"ช่วงเวลา 'aha' ของเราคือการตระหนักว่าการใช้เส้นโค้งออยเลอร์-ซึ่งความโค้งเปลี่ยนแปลงเป็นเส้นตรง- เราสามารถ 'หลอก' แสงให้คงอยู่ในโหมดพื้นฐานได้แม้ว่าจะโค้งงอมากก็ตาม" Park กล่าว "การได้เห็นผลลัพธ์การทดลองของเราตรงกับปัจจัยด้านคุณภาพที่แท้จริงทางทฤษฎีที่ 4.55 × 10 ถือเป็นเรื่องน่ายินดีอย่างยิ่ง6. การบรรลุผลบุญที่ไม่เป็นเชิงเส้นสูงสุดที่รายงานสำหรับ PIC ของ chalcogenide คือผลเชอร์รี่ที่อยู่ด้านบนสุด"
ความท้าทายในการพิมพ์หิน
ในการที่จะไปถึงจุดนั้น ก่อนอื่นกลุ่มต้องพัฒนากระบวนการสร้างลวดลายพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนสำหรับวัสดุของพวกเขา เนื่องจากการพิมพ์หินแบบดั้งเดิมที่ใช้โฟตอนถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นของแสง
อุปสรรค์หลักที่เกี่ยวข้อง? ความไวของวัสดุ "ชาลโคเจนไนด์สามารถทนทุกข์ทรมานจากการเกิดออกซิเดชันที่พื้นผิวและการดูดซึมที่เกี่ยวข้องกับสิ่งเจือปน-" พาร์คกล่าว "ด้วยความพยายามที่นำโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสองคน ได้แก่ Bright Lu และ James Erikson เราได้เอาชนะสิ่งนี้ด้วยการใช้กระบวนการอบอ่อนแบบสุญญากาศที่ 250 องศา เพื่อปรับปรุงความเป็นเนื้อเดียวกันของวัสดุและลดความหยาบของพื้นผิว นอกจากนี้เรายังจำเป็นต้องปรับเทียบโบรอนไตรคลอไรด์ (BCl) ของเราอย่างแม่นยำด้วย3) และก๊าซอาร์กอน (Ar) ผสมระหว่างการแกะสลักไอออนปฏิกิริยาด้วยพลาสมาแบบเหนี่ยวนำคู่ (ICP RIE) เพื่อให้มั่นใจว่าผนังด้านข้างเรียบ ซึ่งมีความสำคัญต่อการรักษาระดับ "สูงมาก-Q' ผลงาน."
'มีดกองทัพสวิส' สำหรับ PIC
เครื่องสะท้อนเสียงเหล่านี้คล้ายกับ "มีดของกองทัพสวิสสำหรับ PIC" ปาร์คกล่าว "เพราะว่าสูง-Qปัจจัยและความไม่เป็นเชิงเส้น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย เช่น เลเซอร์ความกว้าง-เส้นตรงที่แคบผ่านการกระตุ้น Brillouin และ Raman Scatter การสร้างคลื่นความถี่สำหรับมาตรวิทยาและโทรคมนาคม หรือการประมวลผลข้อมูลควอนตัมโดยที่-การสูญเสีย-ส่วนประกอบชิปต่ำไม่สามารถต่อรองได้"
ตอนนี้กลุ่มของ Park ได้พิสูจน์ความสามารถในการสูญเสียที่ต่ำ-ของแพลตฟอร์มแล้ว (การสูญเสียการดูดซับ 0.43 dB/m) พวกเขากำลังจับตาดูขีดจำกัดการสูญเสียสูงสุด "เรายังขยายท่อนำคลื่นให้กว้างขึ้นอีกเพื่อก้าวไปสู่ประสิทธิภาพที่ 'วัสดุ-มีจำกัด' ซึ่งอาจผลักดันเราQ-ปัจจัยที่สูงขึ้นและทำให้การโต้ตอบแบบไม่เชิงเส้นมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น" เขากล่าว
อ่านต่อ
