10 Minutės
Jie vieną lazerį pavertė daugybe spalvų — ir padarė tai be sudėtingų kaitinimo elementų ar nuolatinio derinimo. Įsivaizduokite vieną kompaktišką fotonikos lustą, kuris telekomunikacinio bangos ilgio lazerį, tarsi mažytis prizmė su supergaliomis, paverčia raudona, žalia ir mėlyna šviesa. Nereikia papildomų lazerių. Nereikia jautraus temperatūros valdymo. Tiesiog šviesa įeina iš vienos pusės, o kitoje pusėje išeina kelios naujos dažnio linijos.
JQI tyrėjai sukūrė ir išbandė naujus lustus, kurie patikimai konvertuoja vieną šviesos spalvą (vaizduojamą oranžine pulso forma paveikslėlio apatiniame kairiajame kampe) į kelias spalvas (vaizduojamas raudonas, žalias, mėlynas ir tamsiai pilkas pulsiniai, išeinantys iš lustą paveikslėlio apatiniame dešiniajame kampe). Žiedų masyvas — kiekvienas žiedas yra rezonatorius, leidžiantis šviesai apsisukti šimtus tūkstančių ar net milijonus kartų — užtikrina, kad sąveika tarp įeinančios šviesos ir lustų gali padvigubinti, patrigubinti ar keturgubinti jos dažnį.
Iš atsitiktinio dėmelės iki inžinerinio iššūkio
Nelinearinė optika turi daug netikėtumų istorijoje. Pirmasis antrinės harmonikos generacijos (second harmonic generation, SHG) stebėjimas 1961 m. buvo toks silpnas, kad redaktorius jį palaikė spaudos dėme. Ta maža dėmelė pažymėjo srities, paremtos silpnų efektų valdymu, pradžią: intensyvi šviesa keičia medžiagos savybes, o šios pakeistos savybės verčia šviesą pereiti į naujus dažnius. Šie procesai — įvesto dažnio dvigubinimas, trigubinimas ar keturgubinimas — yra dažnio konversijos šerdis ir yra esminiai metrologijoje, kvantinės informacijos ir telekomunikacijų taikymuose.
Tačiau nelinearūs efektai dažnai išlieka itin silpni. Jau kelis dešimtmečius praktiškas kelias stiprinti sąveikas buvo šviesos užlaikymas rezonatoriuose, kad fotonai galėtų daug kartų praeiti per nelinearinę terpę. Kiekvienas praėjimas šiek tiek stiprina procesą. Šimtai tūkstančių ar net milijonai apėjimų gali sustiprinti praktiškai menką efektą. Vis dėlto sukurti įrenginį, kuris patikimai gamintų kelias harmonikas ant lustų ir darytų tai daugelyje pagamintų pavyzdžių, išliko sunku.
Kodėl tai taip sudėtinga? Nes dažnio konversija ant lusto reikalauja dviejų dalykų vienu metu: rezonatorius turi palaikyti fotonus tiek įėjimo, tiek tikslinei dažniaus grupėms, ir tie fotonai turi likti faziškai suderinti — „in sync“ — kol jie cirkuliuoja. Jei bent viena sąlyga sutrinka, procesas sugriūva. Maži, nanometriniai gamybos nuokrypiai keičia rezonansinius dažnius ir grupines greičių savybes. Dizainas, kuris tinka vienam vafliui, gali žlugti kitam. Rezultatas: loterija gamybos lygmenyje, kai tik dalis pagamintų lustų veikia pagal numatymą.
Du laikrodžiai, viena patikima konversija
Būtent šį „šūvis-ar-miss“ problemą Joint Quantum Institute (JQI) komanda sprendė kitaip. Mohammad Hafezi, Kartik Srinivasan ir bendradarbiai, įskaitant Mahmoud Jalali Mehrabad ir Lidą Xu, peržiūrėjo architektūrą, kurią jie naudojo ankstesniuose darbuose: ne vieną žiedą, o mažų žiedinių rezonatorių masyvą. Jų įžvalga buvo nustoti stengtis priversti tikslią rezonansinę aliniją ir paklausti, ar pats geometrinis išdėstymas gali padaryti dažnių sutapimą labiau tikėtinu.
Rezultatas pasirodė elegantiškai paprastas. Rezonatorių masyvas generuoja dvi natūralias laiko skalės. Šviesa greitai suka kiekviename mažame žiede — tai greita, lokalizuota cirkuliacija. Tuo pačiu metu visas masyvas elgiasi kaip didesnis „superžiedas“, kuris lėčiau veda šviesą aplink savo perimetrą. Šie du skirtingi cirkuliacijos greičiai veikia kaip du laikrodžiai, tikintys skirtingais tempais tame pačiame luste.
Tų dviejų laikrodžių buvimas pakeičia žaidimo taisykles. Vietoje to, kad būtų reikalaujama vieno tikslaus dažnio-fazės sutapimo, sistema siūlo daugybę laiko kelių, kuriais fotonai gali sąveikauti ir kurti harmonikas. Greitieji apsisukimai suteikia daug galimybių vietinėms nelinearinėms sąveikoms, tuo tarpu lėtesnė superžiedo cirkuliacija padeda suderinti fazes per visą struktūrą. Pasekmė: antrinės, tretinės ir net ketvirtinės harmonikos atsiranda patikimai ir pasyviai, be aktyvios kompensacijos, pvz., integruotų kaitinimo elementų.
Eksperimentai, įrodantys koncepciją
Komanda išbandė šešis lustus, pagamintus ant vieno vaflio. Jie į kiekvieną įrenginį paleido standartinį 190 THz dažnio lazerį — telekomunikacinio dažnio šviesą, įprastą optiniuose pluoštuose — ir stebėjo, kas išeina. Kiekvienas rezonatorių-masyvo lustas pagamino antrinę, tretinę ir ketvirtinę harmonikas. Išmatuotos išėjimo dažninės linijos atitiko raudoną, žalią ir mėlyną šviesą tam konkrečiam įėjimui. Efektas išliko per pakankamai platų įėjimo dažnių ir pompos galios intervalą.
Palyginimui, tyrėjai pagamino vieno žiedo rezonatorius ir kai kuriuos iš jų aprūpino mažyčiais kaitintuvais aktyviam derinimui. Net ir su tais kaitintuvais, vieno žiedo įrenginiai antrinės harmonikos generaciją gamino retai ir tik siaurame kaitintuvo temperatūros bei įėjimo dažnio lange. Kontrastas buvo ryškus: dviejų laiko skalės masyvai veikė pasyviai ir plačiai; vieno žiedo sistemos reikalavo tikslaus ir energijos reikalaujančio įsikišimo.
Padidinus įėjimo intensyvumą, lustai pradėjo generuoti papildomas spektrines linijas aplink kiekvieną harmoniką, primenančias ankstesniuose darbuose sukurtus įdėstytus dažnių šukas (nested frequency combs). Šis pastebėjimas leidžia manyti, kad masyvų architektūroje vyksta turtingesnė nelinearinių dinamikų panorama — panoramos, kurias galima panaudoti dažnio metrologijai ir integruotai optinei sintezei ant lusto.
Kaip rezonatoriai atlieka darbą
Vietiniai rezonansai ir superžiedas
Įsivaizduokite keletą mažyčių lenktynių trasų šviesai, išdėstytų kaip karoliukai ant vėrinio. Kiekvienas karoliukas yra žiedinis rezonatorius, derintas palaikyti tam tikras optines modas; jo dydis ir lūžio rodiklis nurodo, kurie dažniai gali skrieti aplink jį. Vienas žiedas palaiko diskrečias rezonansines linijas panašiai kaip gitaros styga palaiko tam tikrus tonus. Tačiau prijungus daugybę žiedų į masyvą atsiveria jungčių takai ir atsiranda naujos kolektyvinės modos. Masyvas palaiko tiek stipriai lokalizuotus ciklus atskiruose žieduose, tiek išplėstines ciklines trajektorijas, einančias per masyvo briauną — tai yra superžiedo moda.
Matematiškai tai įvedė daug laiko ir ilgio skalės į problemą. Fiziškai tai suteikia nelineariniam procesui daugiau galimybių tenkinti dažnio ir fazės sąryšius, reikalingus efektyviai konversijai. Maži gamybos trūkumai, kurie sugriautų vieno žiedo dizainą, mažiau tikėtina, kad tuo pačiu metu sugadintų tiek vietinį, tiek superžiedo rezonansą. Trumpai tariant: geometrijoje įstatyta atsarginė kopija — redundancija.
Mokslinis kontekstas ir kodėl tai svarbu
Kompaktiški ir patikimi dažnio keitikliai yra ilgalaikis tikslas. Kvantinės fotonikos srityje jie gali versti bangos ilgius nuo patogių lazerių šaltinių į dažnius, kurių reikalauja atomų perėjimai, naudojami atminčiai ir susipynimui. Metrologijoje, iš harmoninės generacijos gaunamos dažnių šukos (frequency combs) leidžia kurti itin tikslius laikrodžius ir atstumo matavimus. Integruotos fotonikos ir optinių ryšių srityje on-chip šaltinis, generuojantis kelis šviesos kanalus, galėtų supaprastinti sistemas, kurios dabar priklauso nuo daugybės atskirų lazerių.
Anksčiau šių transformacijų pasiekimui ant lusto dažnai reikėjo kruopštaus dizaino, bandymų gamybos ir dažnai aktyvios reguliacijos aparatūros, kuri sudėtingina tiek gamybą, tiek diegimą. Dviejų laiko skalės rezonatorių masyvai sumažina šiuos apribojimus. Jie mažina jautrumą menkiausiems gamybos nuokrypiams ir pašalina kaitintuvus bei su jais susijusias energijos ir valdymo sistemas. Gamintojams tai reiškia daug: didesnis derlius, mažesnės sąnaudos ir aiškesnis kelias nuo bandinių laboratorijoje iki realių produktų.
Yra techninių niuansų, žinoma. Nelinearinės konversijos stiprumas priklauso nuo medžiagos savybių — nelinearinės imlumo (nonlinear susceptibility) — ir nuo rezonatorių kokybės faktorių (Q-factors), kurie lemia, kiek laiko fotonai išlieka užfiksuoti. JQI įrenginiai naudoja kruopščiai išdėstytus žiedų maketus ir aukšto Q rezonansus, tačiau pagrindinis principas — geometrijos panaudojimas laiko laipsniams pridėti — yra plačiai pritaikomas. Skirtingos medžiagos, nuo silicio nitrido (silicon nitride) iki litio niobato (lithium niobate), galėtų pasinaudoti panašiomis masyvų strategijomis, pritaikytomis jų nelinearinėms savybėms.
Panaudojimo galimybės ir ateities perspektyvos
Apsvarstykime keletą netolimų galimybių. Pirma, integruoti dažnio keitikliai galėtų leisti kompaktiškiems, ant plokštės esančiams atominiams laikrodžiams, kurie dabar remiasi keliais atskirais optiniais šaltiniais. Antra, kvantinės komunikacijos sistemos galėtų naudoti ant lusto harmonikas, kad tiltas tarp telekomunikacinio bangos ilgio pluoštinės perdavimo ir matomų ar artimų infraraudonųjų perėjimų, kuriuos naudoja kvantiniai atminties moduliai, būtų uždarytas. Trečia, nelineariniai fotoniniai procesoriai — įrenginiai, kurie naudoja šviesą skaičiavimams vietoje elektronų — galėtų išnaudoti pasyvią daugiakartinę harmonikų generaciją siekiant išplėsti veikimo juostas ir signalo apdorojimo galimybes.
Be šių taikymų, darbas nurodo dizaino filosofiją, kuri vertina atsparumą. Kai optinis grandynas sėkmingas dėl to, kad jo geometrija siūlo daug sėkmingų kelių, o ne vieną siaurą, masinė gamyba tampa praktiška. Inžinieriai gali persiorientuoti nuo mikroskopinio kiekvieno gamybos parametro valdymo link grandinių topologijos optimizavimo, skirtos patikimumui ir našumui.
Eksperto įžvalga
„Stebina, kiek paprastas architektūrinis pasirinkimas pakeičia inžinerinę aritmetiką,“ sako dr. Elena Morales, fiktyvi, bet tipiška fotonikos inžinierė su dvidešimties metų patirtimi integruotoje optikoje. „Pereinate nuo trapios sistemos, kuri reikalinga aktyvių taisymų, prie tokios struktūros, kuri sugeria kintamumą. Tai tas mąstymas, kuris įrenginius perkelia iš laboratorinių demonstracijų į produktus. Tai skirtumas tarp koncepcijos įrodymo ir pakartojamos gamybos.“
Jos pastaba atspindi praktinius privalumus, kuriuos pabrėžia JQI grupė: sumažėjęs kalibravimo poreikis, paprastesni terminiai biudžetai ir geresnis įrenginių išeiga — visi esminiai komercinant integruotus fotonikos sprendimus.
Platesni moksliniai bangavimai
Kai platforma patikimai generuoja kelias harmonikas, eksperimentuotojai gali imtis naujų matavimų ir protokolų, kurie anksčiau buvo neįgyvendinami. Dažnių šukų spektroskopija (frequency-comb spectroscopy), kuri priklauso nuo tiksliai suderintų optinių dažnių masyvų, tampa lengviau įgyvendinama mažoje erdvėje. Kvantiniai eksperimentai, kuriems reikia suderinti fotonų spalvas skirtingose sistemose, randa kelią link kompaktiškų keitiklių vietoje didelių stalų, pilnų atskirų lazerių ir sudėtingų derinimo įrenginių.
Taip pat yra teorinių kampų, kuriuos verta nagrinėti. Masyvai su įtikinamai įvestu disordru gali pasirodyti dar efektyvesni, plečiant prieinamų kelių ansamblį. Nelineari dinamikos daugalaikėse sistemose gali demonstruoti netikėtus reiškinius — sinchronizacijos fenomenus, iškylančias šukines struktūras ar valdomą chaotiškumą — kuriuos tyrėjai galėtų panaudoti signalo generavimui ar jautriam matavimui.
Ką dar reikia padaryti
Iššūkių vis dar yra. Svarbu masteliu tiesti šį požiūrį, kad būtų pasiektas didesnis konversijos efektyvumas esant mažesnei pompos galioms, ypač energijos jautrioms taikymo sritims. Integruoti šiuos masyvus su kitais ant lusto komponentais — moduliatoriais, detektoriais ir bangolaidžiais, optimizuotais naujai generuotiems bangos ilgiams — nustatys, kiek sklandžiai ši technologija įsilies į platesnes fotonikos sistemas. Ir, natūralu, ilgalaikis stabilumas bei tinkamas paketavimas, skirtas darbui už laboratorijos ribų, bus būtini, kad būtų atitikti pramonės standartai.
Tačiau kryptis aiški. Pasyvus, geometrija pagrįstas derinimas mažina sudėtingumą ir atveria duris. JQI rezultatai iliustruoja, kad kartais sprendimas nėra daugiau kontrolės, o daugiau galimybių: daugiau maršrutų, kuriais šviesa gali rasti tinkamą sąveiką, ir didesnė tolerancija realaus pasaulio gamybos trūkumams.
Jei tikslas yra patikima, ant lusto gaminama naujų optinių spalvų generacija, tada įrenginių projektavimas su įmontuota laiko redundancija atrodo protingas kelias. Rezonatorių masyvo požiūris yra praktiškas, elegantiškas ir, svarbiausia, pakartojamas — trys ingredientai, kurių pramonė ieško pereidama nuo švarios patalpos naujovės prie masinės gamybos komponento.
Ką grupės kurs, kai ant lusto pasiekiama daugiapoliarinė šviesa taip pat patikimai, kaip elektroniniai signalai ant plokštės? Galime tikėtis kompaktiškų atominių jutiklių, supaprastintų kvantinių tinklų ir naujų optinių procesorių klasių, kiekviena besinaudojanti paprasta, bet galinga idėja, kad kelios laiko skalės gali pakeisti aktyvų derinimą.
Tyrėjai ir toliau tobulins dizainus laboratorijose. Pramonė stebės išeigos rodiklius. O inžinieriai užduos klausimą: kiek dar gudrybių geometrija gali mus išmokyti apie šviesos valdymą?
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą