Сверхбыстрый и высокопроизводительный нелинейный делитель на основе ниобата лития

Jan 12, 2024

Особенность от 12 августа 2022 г.

Ингрид Фаделли, Tech Xplore

Оптика, технологии, которые используют поведение и свойства света, являются основой многих существующих технологических инструментов, в первую очередь систем оптоволоконной связи, которые обеспечивают высокоскоростную связь между устройствами на большие и короткие расстояния. Оптические сигналы обладают высокой информационной емкостью и могут передаваться на большие расстояния.

Исследователи из Калифорнийского технологического института недавно разработали новое устройство, которое может помочь преодолеть некоторые ограничения существующих оптических систем. Это устройство, представленное в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, представляет собой устройство на основе ниобата лития, которое может переключать сверхкороткие световые импульсы с чрезвычайно низкой энергией оптического импульса в десятки фемтоджоулей.

«В отличие от электроники, оптике по-прежнему не хватает эффективности необходимых компонентов для вычислений и обработки сигналов, что является основным препятствием для раскрытия потенциала оптики для создания сверхбыстрых и эффективных вычислительных схем», — рассказал Phys.org Алиреза Маранди, ведущий исследователь исследования. . «За последние несколько десятилетий значительные усилия были направлены на разработку полностью оптических переключателей, которые могли бы решить эту проблему, но большинство энергоэффективных конструкций страдали от медленного времени переключения, главным образом потому, что в них использовались либо резонаторы с высокой добротностью, либо несущая частота. основанные на нелинейностях».

Основная цель недавнего исследования Маранди и его коллег заключалась в том, чтобы использовать присущую ниобату лития нелинейность для разработки высокопроизводительного оптического переключателя. Они хотели, чтобы этот переключатель был сверхбыстрым (в фемтосекундном диапазоне) и работал в режиме сверхнизкой (т. е. фемтоджоулевой) энергии.

При разработке своего устройства исследователи не использовали никаких резонаторов. Вместо этого они представили два ключевых элемента, которые улучшили коммутационные характеристики их устройства, как с точки зрения энергопотребления, так и с точки зрения скорости.

«Во-первых, мы используем пространственно-временное ограничение света в нановолноводах для усиления нелинейных взаимодействий, поскольку сила параметрических нелинейных процессов зависит от пиковой интенсивности», — сказал Маранди. «Такое пространственно-временное ограничение стало возможным в нанофотонном ниобате лития благодаря наноразмерному поперечному сечению волноводов и возможности дисперсионной инженерии, которая позволяет фемтосекундным импульсам оставаться короткими при распространении через наноразмерный волновод».

Вторая характерная особенность устройства, созданного Маранди и его коллегами, заключается в том, что в его нелинейных взаимодействиях был реализован квазисинхронизм фаз. В частности, команда спроектировала и изменила кристаллографическую ориентацию ниобата лития вдоль его нановолноводов.

«Мы используем периодическую структуру с искусственным дефектом в середине, которая детерминированно переключает нелинейный процесс с генерации второй гармоники (ГВГ) на оптическое параметрическое усиление (ОПА)», — Цюши Го, постдокторант и ведущий автор статьи. объяснил. «При добавлении селективного по длине волны ответвителя перед этим дефектом, поскольку входные импульсы низкой энергии не приводят к эффективной ГВГ в первой половине волновода, они будут отброшены линейным ответвителем. Однако импульсы высокой энергии приводят к эффективной ГВГ. перед ответвителем и, следовательно, не будет отброшена ответвителем, поскольку входная энергия будет храниться на длине волны второй гармоники входного сигнала. После дефекта процесс OPA возвращает сигнал обратно к входной длине волны».

При первоначальных оценках исследователи обнаружили, что их конструкция обеспечивает сверхбыстрое полностью оптическое переключение, потребляя при этом всего лишь фемтоджоули энергии. В частности, их устройство достигло сверхнизких энергий переключения до 80 фДж, с самым быстрым временем переключения ~ 46 фс и наименьшим произведением энергии на время 3,7 × 10-27 Дж с в интегрированной фотонике.