Confronto tra design del dispositivo e principio di funzionamento. Fotonica della natura (2022). DOI:10.1038/s41566-022-01044-5
L'ottica, le tecnologie che sfruttano il comportamento e le proprietà della luce, sono alla base di molti strumenti tecnologici esistenti, in particolare i sistemi di comunicazione in fibra che consentono la comunicazione ad alta velocità a lunga e breve distanza tra i dispositivi. I segnali ottici hanno un'elevata capacità di informazione e possono essere trasmessi su lunghe distanze.
I ricercatori del California Institute of Technology hanno recentemente sviluppato un nuovo dispositivo che potrebbe aiutare a superare alcuni dei limiti dei sistemi ottici esistenti. Questo dispositivo, introdotto in un articolo pubblicato su Nature Photonics , è un dispositivo a base di niobato di litio in grado di commutare impulsi luminosi ultracorti a un'energia dell'impulso ottico estremamente bassa di decine di femtojoule.
"A differenza dell'elettronica, l'ottica manca ancora di efficienza nei componenti necessari per l'elaborazione e l'elaborazione del segnale, che è stata una barriera importante per sbloccare le potenzialità dell'ottica per schemi di calcolo ultraveloci ed efficienti", ha detto a Phys.org Alireza Marandi, ricercatrice capo dello studio . "Negli ultimi decenni, sono stati dedicati notevoli sforzi allo sviluppo di interruttori completamente ottici in grado di affrontare questa sfida, ma la maggior parte dei progetti ad alta efficienza energetica ha sofferto di tempi di commutazione lenti, principalmente perché utilizzavano risonatori ad alto Q o carrier- non linearità basate."
L'obiettivo principale del recente studio di Marandi e dei suoi colleghi era sfruttare la non linearità intrinseca del niobato di litio per sviluppare un interruttore ottico ad alte prestazioni. Volevano che questo interruttore fosse ultraveloce (nell'intervallo dei femtosecondi) e operasse nel regime di energia ultra-basso (cioè femtojoule).
Durante la progettazione del loro dispositivo, i ricercatori non hanno integrato alcun risonatore. Invece, hanno introdotto due elementi chiave che hanno migliorato le prestazioni di commutazione del loro dispositivo, sia in termini di consumo energetico che di velocità.
"In primo luogo, utilizziamo il confinamento spazio-temporale della luce nelle nanoguide d'onda per migliorare le interazioni non lineari perché la forza dei processi parametrici non lineari dipende dall'intensità del picco", ha affermato Marandi. "Questo confinamento spazio-temporale è stato possibile nel niobato di litio nanaofotonico a causa della sezione trasversale su scala nanometrica delle guide d'onda e della possibilità dell'ingegneria della dispersione, che consente agli impulsi di femtosecondi di rimanere brevi mentre si propagano attraverso la guida d'onda su scala nanometrica."
La seconda caratteristica caratterizzante del dispositivo creato da Marandi e dai suoi colleghi è che è stato progettato l'abbinamento quasi di fase delle sue interazioni non lineari. Più in particolare, il team ha progettato e modificato l'orientamento cristallografico del niobato di litio lungo le sue guide di nanoonda.
"Usiamo uno schema periodico con un difetto artificiale nel mezzo, che cambia deterministicamente il processo non lineare dalla generazione della seconda armonica (SHG) all'amplificazione parametrica ottica (OPA)", Qiushi Guo, ricercatore post-dottorato e autore principale dell'articolo spiegato. "Aggiungendo un accoppiatore selettivo in lunghezza d'onda prima di questo difetto, poiché gli impulsi di ingresso a bassa energia non portano a un SHG efficiente nella prima metà della guida d'onda, verranno eliminati dall'accoppiatore lineare. Tuttavia, gli impulsi ad alta energia portano a un SHG efficiente prima dell'accoppiatore e quindi non verrà lasciata cadere dall'accoppiatore, perché l'energia in ingresso verrà immagazzinata nella lunghezza d'onda della seconda armonica dell'ingresso. Dopo il difetto, il processo OPA riporta il segnale alla lunghezza d'onda in ingresso."
Nelle valutazioni iniziali, i ricercatori hanno scoperto che il loro design consentiva la commutazione ultraveloce di tutte le ottiche, consumando solo femtojoule di energia. In particolare, il loro dispositivo ha raggiunto energie di commutazione ultrabasse fino a 80 fJ, con un tempo di commutazione più veloce di ~46 fs e un prodotto tempo energia più basso di 3,7 × 10 −27 J s nella fotonica integrata.
"Il design del nostro dispositivo è molto diverso dai precedenti interruttori completamente ottici, principalmente a causa del modo in cui abbiamo progettato l'accoppiamento quasi-fase e di come abbiamo potuto utilizzare impulsi ultracorti, e le prestazioni risultanti sono straordinarie", ha affermato Marandi. "Questo è uno dei modi più ottimali per realizzare uno splitter ottico non lineare. Tuttavia, non siamo abituati a pensare all'elaborazione delle informazioni in questo modo. Ad esempio, per la comunicazione, il modo più utilizzato per impacchettare le informazioni sui segnali ottici è multiplexing a divisione di lunghezza d'onda, che non è realmente compatibile con questo meccanismo di commutazione."
L'interruttore creato dai ricercatori è particolarmente adatto per ciò che è noto come multiplexing a divisione di tempo, una tecnica per impacchettare le informazioni in un segnale ottico per la comunicazione e l'elaborazione delle informazioni. La capacità del dispositivo di supportare questo schema multiplexing potrebbe aprire possibilità senza precedenti in quest'area, sfruttando la velocità ultraveloce e altre qualità vantaggiose dell'ottica.
"L'elaborazione delle informazioni con frequenze di clock THz potrebbe essere una delle importanti implicazioni del nostro lavoro", ha affermato Marandi. "Le possibilità della nanofotonica ultraveloce al niobato di litio sono schiaccianti."
Il recente lavoro di questo team di ricercatori dimostra il vasto potenziale dei dispositivi fotonici non lineari integrati. In futuro, potrebbe aiutare a ripensare la progettazione delle tecnologie fotoniche e ottiche sia a livello di dispositivo che di sistema.
Nei loro prossimi studi, Marandi e i suoi colleghi intendono continuare a sviluppare dispositivi altamente performanti con funzionalità uniche e innovative. La loro speranza è di contribuire alla creazione di circuiti e sistemi nanofotonici su larga scala e ultraveloci.
"Siamo anche entusiasti di utilizzare il nostro splitter non lineare come nucleo di un laser integrato con modalità bloccata", ha aggiunto Marandi. "Lo splitter può fungere da 'assorbitore saturabile', che è l'elemento costitutivo principale per il blocco in modalità passiva ed è stato difficile da ottenere nella fotonica integrata. L'efficace assorbimento saturabile nel nostro dispositivo ha una velocità e un'efficienza energetica straordinarie, e il suo il design è compatibile con i laser integrati." + Esplora ulteriormente
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