오늘날 가장 흥미로운 실험, 특히 가시 범위 내에서 필요한 레이저 파장은 소형 광자 집적 회로(PIC)의 소스 확보에 어려움을 겪고 있습니다. 그러나 미국 국립 표준 기술 연구소(NIST) 포토닉스 연구원과 Octave Photonics의 동료들은 이 파장 액세스 문제에 대한 솔루션을 주도하고 있으며{3}}광 스위칭, 라우팅 및 필터링을 지원하기 위해 다양한 포토닉 기능을 통합하는 문제도 해결하고 있습니다.
오늘날 일반적인 접근 방식 중 하나는 다양한 포토닉스 재료를 결합하여 이러한 다양한 기능을 활성화하고 장점을 활용하는 것입니다. 그러나 새로운 응용 분야에 필요한 모든 규모를 단일 재료로 수행할 수는 없습니다.
NIST 양자 및 비선형 나노포토닉스 그룹 소속 물리학자인 Grant M. Brodnik은 "우리 연구는 기존 광자 기술과 직접적으로 호환되는 '모든 파장의 레이저'를 달성하려는 높은 목표에서 영감을 얻었습니다."라고 말했습니다. "또한 플랫폼이 이를 직접 지원하기 때문에 주파수 빗 및 초연속체 생성과 같은 다른 기능도 시연했습니다. 이러한 기능은 많은 중요한 응용 분야에서 핵심적인 역할을 합니다."
고마워요, 비선형 광학
인공 지능(AI) 및 양자 응용 분야가 요구하는 속도에 도달하려면 전자에서 광자로의 전환이 중요하며{0}}칩 규모의 '모든 파장' 레이저도 마찬가지입니다.
팀의 새로운 접근 방식에 대한 간략한 설명: 이산화규소(유리)와 니오브산리튬(들어오는 빛의 색상을 변경할 수 있는 비선형 물질)으로 코팅된 표준 실리콘 웨이퍼로 시작됩니다. 금속을 추가하면 니오브산리튬을 전기적으로 연결하여-빛의 한 색상을 다른 색상으로 변환할 수 있습니다. 유사한 금속-리튬 니오베이트 인터페이스를 사용하면 조명을 빠르게 켜고 끌 수 있습니다(고속 라우팅 및 데이터 처리를 생각해 보세요).
다른 광자 회로 바로 위에 탄탈라라고도 불리는 오산화탄탈륨의 복잡한 패턴을 증착하면 다용도 광자 플랫폼이 동시에 작동할 수 있습니다. Tantala는 강력한 비선형 재료이며 가시광선 파장 작동에 매우 적합합니다. "중요하게, 이것은 다른 광자 재료와 직접 통합할 수 있는 매력적인 재료 특성(제조와 관련)을 가지고 있습니다"라고 Brodnik은 말했습니다.
연구원들이 3D 스택으로 서로 겹쳐진 재료를 패턴화했을 때, 층 사이에 빛을 효율적으로 전달하는 단일 칩이 탄생했습니다. 이 칩은 탄탈라의 가벼운 조작 능력과 니오브산 리튬의 제어 가능성을 결합합니다.
비선형 광학은 이제 "우리가 입력한 단일 색상으로 완전히 새로운 색상의 빛을 만들기 위해" 활용하는 "비{0}}비밀 소스" 물리학이라고 Brodnik은 설명합니다. "카메라로 사진을 찍으면 렌즈를 통과할 때 이미지의 색상이 변할 것이라고 예상할 수 없습니다. 그러나 레이저가 제공하는 높은 광학 출력의 비선형 재료를 사용하면 실제로 그런 일이 발생합니다. 이는 오늘날 많은 맞춤형 색상을 만드는 탁상용{5}}규모 레이저에 전력을 공급하는 핵심 기술입니다. 우리는 이러한 기술을 사용하지만{7}}쌀알 크기보다 작은 장치 내의 광전자 회로를 사용합니다."
Brodnik의 이 작업에서 가장 멋진 측면은 "입력 조명(우리 눈에는 보이지 않음)을 변환할 때 장치에서 새롭고 눈부신 색상의 빛이 튀어나오는 것"을 보는 것입니다. "실험실에서 테스트 스테이지에 칩을 놓고 천천히 작동 매개변수를 조정하면 꽝, 생생한 파란색-녹색이 칩 전체에서 빛나기 시작합니다. 다음 기기에서는 칩을 파란색-보라색으로 만듭니다. 마치 마법처럼 느껴집니다."
Brodnik은 그들의 작업이 "플랫폼의 기반을 마련하고 잠재력을 보여주었습니다"라고 말했습니다. "우리는 확실히 기존 디자인의 성능을 최적화하기 위해 노력할 것입니다. 하지만 플랫폼은 우리가 탐구하고 싶은 새로운 기능과 디자인 손잡이를 열어줍니다."
원자 전환과의 인터페이스와 관련된 많은 응용 분야에서는-양자 감지 및 컴퓨팅-이 가시광선 및 근적외선 파장 대역에 걸쳐 있는 파장의 빛을 필요로 한다고 생각합니다-. Brodnik은 "광학 데이터 처리 및 컴퓨팅과 같이 조명을 빠르게 라우팅하고 켜고 끄는 데 필요한 응용 프로그램은 재료가 제공하는 다른 물리적 기능을 활용함으로써 플랫폼의 이점을 얻을 수도 있습니다."라고 말했습니다. "소비자 디스플레이 기술은 아마도 또 다른 응용 분야일 것입니다. 우리가 생각지도 못한 훨씬 더 많은 기술이-확실히 존재하며, 이는 이제 과학계에서 고려하고 개발할 수 있습니다."
Brodnik은 "우리 팀은 현재 설계 단계에 있는 몇 가지 흥미로운 포토닉 아키텍처를 보유하고 있으며 이를 위해서는 우리 플랫폼이 지원하는 모든 기능이 필요합니다"라고 말했습니다. "또한 우리가 고려하지 않았거나 추구하기 위해 공유 전문 지식이 필요하지 않은 새로운 아이디어와 응용 프로그램을 우리에게 가져온 동료 및 기타 연구자들과 협력하게 되어 기쁩니다. 흥미로운 시간입니다."
