В журнале Optica, журнале Оптического общества (OSA) для исследований с высокой ударной нагрузкой, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST), Университета Мэриленда и Университета Колорадо описывают свой новый источник света с параметрическим оптическим генератором (OPO) и показывают, что он может производить выходной свет, который имеет совершенно другой цвет или длину волны, чем входной свет. Помимо создания света видимого диапазона длин волн, OPO одновременно генерирует волны ближнего инфракрасного диапазона, которые можно использовать в телекоммуникационных приложениях.
«Наш энергоэффективный и гибкий подход генерирует когерентный лазерный свет в диапазоне длин волн шире, чем то, что доступно для лазеров с прямой интеграцией в чип», – сказал руководитель исследовательской группы Картик Сринивасан. «Встроенное в кристалл создание видимого света может использоваться как часть высокофункциональных компактных устройств, таких как атомные часы на основе микросхем или устройства для портативных биохимических анализов. Разработка OPO на платформе кремниевой фотоники создает потенциал для масштабируемого производства этих устройств на промышленных предприятиях, что может сделать этот подход очень рентабельным."
Использование нелинейных процессов
Хотя реакция материала на свет обычно линейно масштабируется, свойства материала могут меняться быстрее в ответ на свет с высокой мощностью, что создает различные нелинейные эффекты. OPO – это тип лазера, в котором используются нелинейные оптические эффекты для создания очень широкого диапазона выходных длин волн.
Исследователи хотели выяснить, как взять лазерное излучение на длине волны, доступной для компактных чип-лазеров, и объединить его с нелинейной нанофотоникой для генерации лазерного света на длинах волн, которые иначе трудно достичь с помощью платформ кремниевой фотоники.
«Нелинейные оптические технологии уже используются в качестве неотъемлемых компонентов лазеров в лучших в мире атомных часах и во многих системах лабораторной спектроскопии», – сказал Сиюань Лу, первый автор статьи и научный сотрудник NIST Университета Мэриленда. "Возможность доступа к различным типам нелинейно-оптических функций, включая OPO, в рамках интегрированной фотоники важна для перехода технологий, которые в настоящее время используются в лабораториях, на портативные платформы, которые можно использовать в полевых условиях."
В новой работе исследователи разработали OPO на основе микрокольца из нитрида кремния. На этот оптический компонент подается примерно 1 милливатт мощности инфракрасного лазера – примерно столько же мощности, что и у лазерной указки. По мере того, как свет распространяется вокруг микрокольца, его оптическая интенсивность увеличивается до тех пор, пока он не станет достаточно мощным, чтобы создать нелинейный оптический отклик в нитриде кремния.
Это обеспечивает преобразование частоты, нелинейный процесс, который можно использовать для получения выходной длины волны или частоты, отличной от света, попадающего в систему.
«Недавний прогресс в области нанофотоники сделал этот метод преобразования частоты очень эффективным, – сказал Лу. «Ключевым достижением в нашей работе было выяснение того, как способствовать конкретному нелинейному взаимодействию, представляющему интерес, при подавлении потенциальных конкурирующих нелинейных процессов, которые могут возникнуть в этой системе."
Тестирование источника света
Исследователи разработали новый встроенный в кристалл источник света, используя детальное электромагнитное моделирование. Затем они создали устройство и использовали его для преобразования входящего света 900 нм в диапазоны с длиной волны 700 нм (видимый) и 1300 нм (телекоммуникации). OPO добился этого, используя менее 2% мощности лазера накачки, необходимой для ранее описанных микрорезонаторных OPO, разработанных для генерации широко разделенных выходных цветов.
В предыдущих случаях оба генерируемых цвета были в инфракрасном диапазоне. После нескольких простых изменений размеров микрокольца OPO также излучает свет в видимом диапазоне 780 нм и телекоммуникационном диапазоне 1500 нм.
Исследователи говорят, что новый OPO можно использовать для создания полной системы, объединив недорогой коммерческий диодный лазер ближнего инфракрасного диапазона с микросхемой OPO, которая также объединяет такие компоненты, как фильтры, детекторы и секцию спектроскопии.
Они продолжают искать способы увеличения выходной мощности, генерируемой OPO.
«Эта работа демонстрирует, что нелинейная нанофотоника достигает уровня зрелости, когда мы можем создать конструкцию, которая соединяет широко разнесенные длины волн, а затем добиться достаточного производственного контроля, чтобы реализовать эту конструкцию и прогнозируемые характеристики на практике», – сказал Сринивасан. «В будущем появится возможность генерировать широкий диапазон желаемых длин волн, используя небольшое количество компактных чип-лазеров в сочетании с гибкой и универсальной нелинейной нанофотоникой."