Un divisor no lineal ultrarrápido y de alto rendimiento basado en niobato de litio

Comparación del diseño del dispositivo y el principio de funcionamiento. Fotónica de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41566-022-01044-5

La óptica, tecnologías que aprovechan el comportamiento y las propiedades de la luz, son la base de muchas herramientas tecnológicas existentes, en particular los sistemas de comunicación por fibra que permiten la comunicación de alta velocidad a larga y corta distancia entre dispositivos. Las señales ópticas tienen una alta capacidad de información y pueden transmitirse a través de distancias más largas.

Investigadores del Instituto de Tecnología de California han desarrollado recientemente un nuevo dispositivo que podría ayudar a superar algunas de las limitaciones de los sistemas ópticos existentes. Este dispositivo, presentado en un artículo publicado en Nature Photonics , es un dispositivo basado en niobato de litio que puede conmutar pulsos de luz ultracortos a una energía de pulso óptico extremadamente baja de decenas de femtojulios.

"A diferencia de la electrónica, la óptica todavía carece de eficiencia en los componentes necesarios para la computación y el procesamiento de señales, lo que ha sido una barrera importante para desbloquear el potencial de la óptica para esquemas de computación ultrarrápidos y eficientes", dijo a Phys.org Alireza Marandi, investigadora principal del estudio. . "En las últimas décadas, se han dedicado esfuerzos sustanciales al desarrollo de interruptores totalmente ópticos que podrían abordar este desafío, pero la mayoría de los diseños de eficiencia energética sufrieron tiempos de conmutación lentos, principalmente porque usaban resonadores de alta Q o portadores. no linealidades basadas".

El objetivo principal del estudio reciente de Marandi y sus colegas fue aprovechar la no linealidad inherente del niobato de litio para desarrollar un interruptor óptico de alto rendimiento. Querían que este interruptor fuera ultrarrápido (en el rango de femtosegundos) y funcionara en el régimen de energía ultrabajo (es decir, femtojulios).

Al diseñar su dispositivo, los investigadores no integraron ningún resonador. En su lugar, introdujeron dos elementos clave que mejoraron el rendimiento de conmutación de su dispositivo, tanto en términos de consumo de energía como de velocidad.

"Primero, utilizamos el confinamiento espacio-temporal de la luz en las guías de nanoonda para mejorar las interacciones no lineales porque la fuerza de los procesos no lineales paramétricos depende de la intensidad máxima", dijo Marandi. "Este confinamiento espacio-temporal fue posible en el niobato de litio nanofotónico debido a la sección transversal a nanoescala de las guías de ondas y la posibilidad de ingeniería de dispersión, lo que permite que los pulsos de femtosegundos permanezcan cortos mientras se propagan a través de la guía de ondas a nanoescala".

El segundo rasgo característico del dispositivo creado por Marandi y sus colegas es que se diseñó la coincidencia de cuasi-fase de sus interacciones no lineales. Más específicamente, el equipo diseñó y cambió la orientación cristalográfica del niobato de litio a lo largo de sus guías de nanoonda.

"Usamos un patrón periódico con un defecto artificial en el medio, que cambia de forma determinista el proceso no lineal de la generación de segundo armónico (SHG) a la amplificación paramétrica óptica (OPA)", Qiushi Guo, investigador postdoctoral y autor principal del artículo. explicado. "Al agregar un acoplador selectivo de longitud de onda antes de este defecto, dado que los pulsos de entrada de baja energía no conducen a un SHG eficiente en la primera mitad de la guía de ondas, el acoplador lineal los descartará. Sin embargo, los pulsos de alta energía conducen a un SHG eficiente antes del acoplador y, por lo tanto, el acoplador no la dejará caer, porque la energía de entrada se almacenará en la longitud de onda del segundo armónico de la entrada. Después del defecto, el proceso OPA revierte la señal a la longitud de onda de entrada".

En las evaluaciones iniciales, los investigadores descubrieron que su diseño permitía una conmutación totalmente óptica ultrarrápida, mientras consumía solo femtojulios de energía. Específicamente, su dispositivo logró energías de conmutación ultrabajas de hasta 80 fJ, presentando un tiempo de conmutación más rápido de ~46 fs y un producto de energía-tiempo más bajo de 3.7 × 10⁻²⁷ J s en fotónica integrada.

"El diseño de nuestro dispositivo es muy diferente de los interruptores totalmente ópticos anteriores, principalmente debido a la forma en que diseñamos la coincidencia de casi fase y cómo pudimos utilizar pulsos ultracortos, y el rendimiento resultante es extraordinario", dijo Marandi. "Esta es una de las formas más óptimas de realizar un divisor óptico no lineal. Sin embargo, no estamos acostumbrados a pensar en el procesamiento de información de esta manera. Por ejemplo, para la comunicación, la forma más utilizada de empaquetar información en señales ópticas es multiplexación por división de longitud de onda, que no es realmente compatible con este mecanismo de conmutación".

El interruptor creado por los investigadores es particularmente adecuado para lo que se conoce como multiplexación por división de tiempo, una técnica de empaquetar información en una señal óptica para comunicación y procesamiento de información. La capacidad del dispositivo para admitir este esquema de multiplexación podría abrir posibilidades sin precedentes en esta área, aprovechando la velocidad ultrarrápida y otras cualidades ventajosas de la óptica.

"El procesamiento de información con frecuencias de reloj de THz podría ser una de las implicaciones importantes de nuestro trabajo", dijo Marandi. "Las posibilidades de la nanofotónica ultrarrápida de niobato de litio son abrumadoras".

El trabajo reciente de este equipo de investigadores demuestra el enorme potencial de los dispositivos fotónicos no lineales integrados. En el futuro, podría ayudar a repensar el diseño de tecnologías fotónicas y ópticas tanto a nivel de dispositivo como de sistema.

En sus próximos estudios, Marandi y sus colegas planean continuar desarrollando dispositivos de alto rendimiento con funcionalidades únicas e innovadoras. Su esperanza es contribuir a la creación de circuitos y sistemas nanofotónicos ultrarrápidos a gran escala.

"También estamos entusiasmados con la utilización de nuestro divisor no lineal como el núcleo de un láser de bloqueo de modo integrado", agregó Marandi. "El divisor puede actuar como un 'absorbente saturable', que es el componente principal para el bloqueo de modo pasivo y ha sido un desafío lograrlo en la fotónica integrada. La absorción saturable efectiva en nuestro dispositivo tiene una velocidad y eficiencia energética extraordinarias, y su el diseño es compatible con los láseres integrados". + Explora más