Os comprimentos de onda do laser necessários para muitos dos experimentos mais intrigantes da atualidade, particularmente dentro da faixa visível, são um desafio para a fonte de minúsculos circuitos integrados fotônicos (PICs). Mas pesquisadores de fotônica do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) dos EUA e colegas da Octave Photonics estão liderando uma solução para esse problema de acesso ao comprimento de onda-e também enfrentando desafios para unir diferentes funções fotônicas para suportar comutação óptica, roteamento e filtragem
Uma abordagem comum hoje é combinar diferentes materiais fotônicos para tentar permitir essas diferentes funções e aproveitar os pontos fortes onde eles existem, mas nenhum material pode fazer isso em todas as escalas desejadas para o campo de novas aplicações.
"Nosso trabalho foi inspirado no objetivo elevado de alcançar 'lasers de qualquer comprimento de onda', com compatibilidade direta com as tecnologias fotônicas existentes", diz Grant M. Brodnik, físico do Grupo de Nanofotônica Quântica e Não Linear do NIST. "E demonstramos outras funcionalidades, como pentes de frequência e geração supercontínua, porque a plataforma os suporta diretamente. Esses recursos desempenham um papel fundamental em muitas aplicações importantes."
Obrigado, óptica não linear
Para atingir a velocidade exigida pela inteligência artificial (IA) e pelas aplicações quânticas, uma mudança de elétrons para fótons é crítica-e também o são os lasers de "qualquer comprimento de onda" em escala de chip.
Uma breve explicação da nova abordagem da equipe: ela começa com um wafer de silício padrão revestido com dióxido de silício (vidro) e niobato de lítio, um material não linear que pode alterar a cor da luz que entra nele. A adição de metal permite que o niobato de lítio seja conectado eletricamente-para converter uma cor de luz em outras. Interfaces semelhantes de metal-niobato de lítio podem permitir a rápida ativação/desativação da luz (pense em roteamento-de alta velocidade e processamento de dados).
Depositar padrões complexos de pentóxido de tântalo, também conhecido como tantala, diretamente sobre outros circuitos fotônicos permite que plataformas fotônicas versáteis operem em conjunto. Tantala é um material não linear forte e adequado para operações em comprimentos de onda visíveis. “Criticamente, possui propriedades materiais atraentes (relacionadas à sua fabricação) que o tornam passível de integração direta com outros materiais fotônicos”, diz Brodnik.
Quando os pesquisadores padronizaram os materiais uns sobre os outros em uma pilha 3D, eles acabaram com um único chip que direciona a luz com eficiência entre as camadas. Este chip combina as habilidades de manipulação de luz do tantala com a controlabilidade do niobato de lítio.
A óptica não linear é agora a física "não{0}}tão{1}}secreta" que eles utilizam "para criar cores de luz inteiramente novas a partir da única cor que colocamos", explica Brodnik. "Se você tirar uma foto com uma câmera, não espera que as cores da imagem mudem ao passar por uma lente. Mas com materiais não lineares em altas potências ópticas fornecidas por lasers, é exatamente o que acontece. É exatamente o que acontece. É uma técnica chave que alimenta lasers em escala de mesa-que produzem muitas cores personalizadas hoje. Usamos essas técnicas-mas com circuitos fotônicos em dispositivos menores que o tamanho de um grão de arroz."
O aspecto mais legal deste trabalho para Brodnik é ver “novas cores de luz, muitas vezes deslumbrantes, saindo de nossos dispositivos ao converter a luz de entrada (que é invisível aos nossos olhos)”, diz ele. "No laboratório, com um chip em estágio de teste, ajustamos lentamente os parâmetros de operação e, bum, um azul-verde vibrante começa a brilhar no chip. No próximo dispositivo, o tornamos azul-violeta. Parece um pouco com mágica."
O trabalho deles “estabelece as bases e demonstra o potencial da plataforma”, diz Brodnik. “Certamente trabalharemos para otimizar o desempenho dos designs existentes, mas a plataforma desbloqueia novas funcionalidades e botões de design que estamos entusiasmados em explorar”.
Muitas aplicações que envolvem interface com transições atômicas-como detecção quântica e computação-exigem luz em comprimentos de onda que abrangem as bandas de ondas visíveis e do{2}infravermelho próximo. “Aplicações que precisam rotear e ligar/desligar a luz rapidamente, como processamento de dados ópticos e computação, também podem se beneficiar da plataforma, aproveitando outras funcionalidades físicas fornecidas pelos materiais”, diz Brodnik. "A tecnologia de exibição para o consumidor talvez seja outra aplicação. Há muitas outras-que certamente nem sequer pensamos, que agora podem ser consideradas e desenvolvidas pela comunidade científica."
A equipe tem “um punhado de arquiteturas fotônicas interessantes atualmente em fase de projeto, que exigem uma série completa de recursos que nossa plataforma suporta”, diz Brodnik. "Também estamos entusiasmados em colaborar com colegas e outros pesquisadores que têm nos trazido novas ideias e aplicações que talvez não tenhamos considerado ou que exijam conhecimento compartilhado para serem implementadas. Tempos emocionantes."
