Forskare har designat en ny chipintegrerad ljuskälla som kan omvandla infraröda våglängder till synliga våglängder, som har varit svåra att producera med teknik baserad på kiselchips. Denna flexibla metod för ljusgenerering på chip är beredd att möjliggöra mycket miniatyriserad fotonisk instrumentering som är lätt att tillverka och robust nog att använda utanför labbet.

I Optica , The Optical Society's (OSA) tidskrift för högeffektiv forskning, utredare från National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Maryland, och University of Colorado beskriver sin nya optiska parametriska oscillator (OPO) ljuskälla och visar att den kan producera utgångsljus som har en mycket annan färg, eller våglängd, än ingångsljuset. Förutom att skapa ljus vid synliga våglängder, OPO genererar samtidigt nära-infraröda våglängder som kan användas för telekommunikationsapplikationer.

"Vår energieffektiva och flexibla metod genererar koherent laserljus över en rad våglängder som är bredare än vad som är tillgängligt från direkt chipintegrerade lasrar, "sade forskargruppens ledare Kartik Srinivasan." Skapandet av synligt ljus på chip kan användas som en del av mycket funktionella kompakta enheter som chipbaserade atomur eller enheter för bärbara biokemiska analyser. Att utveckla OPO i en kisel fotonik plattform skapar potential för skalbar tillverkning av dessa enheter i kommersiella tillverkningsgjuterier, vilket skulle kunna göra detta tillvägagångssätt mycket kostnadseffektivt. "

Utnyttja olinjära processer

Även om svaret på ett material på ljus vanligtvis skalas linjärt, materialegenskaper kan förändras snabbare som svar på ljus vid hög effekt, vilket skapar olika olinjära effekter. OPO är en typ av laser som använder olinjära optiska effekter för att skapa ett mycket brett spektrum av utgångsvåglängder.

Forskarna ville ta reda på hur man tar laseremission vid en våglängd som är lättillgänglig med kompakta chiplasrar och kombinerar det med olinjär nanofotonik för att generera laserljus vid våglängder som annars är svåra att nå med kiselfotonikplattformar.

"Icke -linjär optisk teknik används redan som integrerade komponenter i lasrar i världens bästa atomur och många laboratoriespektroskopisystem, "sa Xiyuan Lu, första författare till tidningen och en postdoktor vid NIST-University of Maryland. "Att kunna komma åt olika typer av olinjär optisk funktionalitet, inklusive OPO, inom integrerad fotonik är viktigt för att överföra teknik som för närvarande är baserad i laboratorier till plattformar som är bärbara och kan användas på fältet. "

I det nya arbetet, forskarna utformade en OPO baserad på en mikrorörning gjord av kiselnitrid. Denna optiska komponent matas av cirka 1 milliwatt infraröd lasereffekt - ungefär samma mängd ström som finns i en laserpekare. När ljuset rör sig runt mikrorörningen ökar det i optisk intensitet tills det är tillräckligt kraftfullt för att skapa ett olinjärt optiskt svar i kiselnitrid. Detta möjliggör frekvenskonvertering, en olinjär process som kan användas för att producera en utgående våglängd, eller frekvens, som skiljer sig från ljuset som går in i systemet.

"De senaste framstegen inom nanofoton teknik har gjort denna metod för frekvenskonvertering mycket effektiv, "sade Lu." Ett viktigt framsteg i vårt arbete var att ta reda på hur man kan främja den specifika olinjära interaktionen av intresse samtidigt som man undertrycker potentiella konkurrerande olinjära processer som kan uppstå i detta system. "

Testar ljuskällan

Forskarna utformade den nya on-chip ljuskällan med hjälp av detaljerade elektromagnetiska simuleringar. De gjorde sedan enheten och använde den för att konvertera 900-nanometer ingångsljus till 700-nanometer-våglängd (synligt) och 1300-nanometer-våglängd (telekommunikations) band. OPO uppnådde detta genom att använda mindre än 2 procent av pumplasereffekten som krävs av tidigare rapporterade mikroresonator OPO som utvecklats för att generera vidsträckta separata utgångsfärger. I de tidigare fallen båda genererade färgerna var i infrarött. Med några enkla ändringar av mikrorörningsdimensionerna, OPO producerade också ljus i 780 nm synliga och 1500 nanometer telekommunikationsband.

Forskarna säger att den nya OPO kan användas för att skapa ett komplett system genom att kombinera en billig kommersiell nära-infraröd diodlaser med ett OPO-chip som också integrerar komponenter som filter, detektorer och en spektroskopisektion. De fortsätter att leta efter sätt att öka uteffekten som genereras från OPO.

"Det här arbetet visar att olinjär nanofotonik når en mognadsnivå där vi kan skapa en design som förbinder vitt separerade våglängder och sedan uppnå tillräcklig tillverkningskontroll för att inse den designen, och den förutsagda prestanda, i praktiken, "sa Srinivasan." Framåt, det borde vara möjligt att generera ett brett spektrum av önskade våglängder med hjälp av ett litet antal kompakta chiplasrar i kombination med flexibel och mångsidig olinjär nanofotonik. "