Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Maryland har utvecklat en mikrochipteknologi som kan omvandla osynligt nära-infrarött laserljus till vilken som helst av en mängd synliga laserfärger, inklusive rött, orange, gult och grönt. Deras arbete ger ett nytt tillvägagångssätt för att generera laserljus på integrerade mikrochips.

Tekniken har tillämpningar inom precisionstidtagning och kvantinformationsvetenskap, som ofta förlitar sig på atomära eller fasta tillståndssystem som måste drivas med synligt laserljus vid exakt specificerade våglängder. Tillvägagångssättet antyder att ett brett spektrum av sådana våglängder kan nås med en enda, småskalig plattform, istället för att kräva skrymmande, bordslasrar eller en serie olika halvledarmaterial. Att konstruera sådana lasrar på mikrochips ger också ett billigt sätt att integrera lasrar med optiska miniatyrkretsar som behövs för optiska klockor och kvantkommunikationssystem.

Studien, rapporterade i numret 20 oktober av Optica , bidrar till NIST on a Chip, ett program som miniatyriserar NIST:s toppmoderna mätteknik, gör det möjligt att distribuera den direkt till användare i industrin, medicin, försvar och akademi.

Atomsystem som utgör hjärtat av de mest exakta och exakta experimentklockorna och nya verktyg för kvantinformationsvetenskap förlitar sig vanligtvis på högfrekvent synligt (optiskt) laserljus för att fungera, i motsats till de mycket lägre frekvensmikrovågorna som används för att ställa in officiell tid över hela världen.

Forskare utvecklar nu atomära optiska systemteknologier som är kompakta och fungerar med låg effekt så att de kan användas utanför laboratoriet. Även om många olika element krävs för att förverkliga en sådan vision, en nyckelingrediens är tillgång till lasersystem för synligt ljus som är små, lätt och fungerar med låg effekt.

Även om forskare har gjort stora framsteg när det gäller att skapa kompakta, högpresterande lasrar vid de nära infraröda våglängder som används inom telekommunikation, det har varit utmanande att uppnå motsvarande prestanda vid synliga våglängder. Vissa forskare har gjort framsteg genom att använda halvledarmaterial för att generera kompakta lasrar för synligt ljus. I kontrast, Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan och deras kollegor vid NIST och University of Maryland i College Park antog ett annat tillvägagångssätt, med fokus på ett material som kallas kiselnitrid, som har en uttalad olinjär respons på ljus.

Material som kiselnitrid har en speciell egenskap:Om inkommande ljus har tillräckligt hög intensitet, färgen på det utgående ljuset stämmer inte nödvändigtvis med färgen på ljuset som kom in. Det beror på att när bundna elektroner i ett olinjärt optiskt material interagerar med högintensivt infallande ljus, elektronerna återutstrålar ljuset vid frekvenser, eller färger, som skiljer sig från det infallande ljuset.

(Denna effekt står i kontrast till den vardagliga upplevelsen av att se ljus studsa från en spegel eller bryta genom en lins. I dessa fall, färgen på ljuset förblir alltid densamma.)

Lu och hans kollegor använde en process som kallas tredje ordningens optisk parametrisk oscillation (OPO), där det olinjära materialet omvandlar infallande ljus i det nära-infraröda till två olika frekvenser. En av frekvenserna är högre än den för det infallande ljuset, placera den i det synliga området, och den andra är lägre i frekvens, sträcker sig djupare in i det infraröda. Även om forskare har använt OPO i flera år för att skapa olika färger av ljus i stora, optiska bordsinstrument, den nya NIST-ledda studien är den första som tillämpar denna effekt för att producera särskilda våglängder för synligt ljus på ett mikrochip som har potential för massproduktion.

För att miniatyrisera OPO-metoden, forskarna riktade det nära-infraröda laserljuset in i en mikroresonator, en ringformad anordning mindre än en miljondels kvadratmeter i yta och tillverkad på ett kiselchip. Ljuset inuti denna mikroresonator cirkulerar cirka 5, 000 gånger innan det försvinner, bygga en tillräckligt hög intensitet för att komma åt den olinjära regimen där den konverteras till de två olika utfrekvenserna.

För att skapa en mängd synliga och infraröda färger, laget tillverkade dussintals mikroresonatorer, var och en med lite olika dimensioner, på varje mikrochip. Forskarna valde noggrant dessa dimensioner så att de olika mikroresonatorerna skulle producera utgående ljus i olika färger. Teamet visade att denna strategi möjliggjorde en enda nära-infraröd laser som varierade i våglängd med en relativt liten mängd för att generera ett brett spektrum av specifika synligt ljus och infraröda färger.

Särskilt, även om ingångslasern fungerar över ett smalt område av nära-infraröda våglängder (från 780 nanometer till 790 nm), mikrochipsystemet genererade färger för synligt ljus från grönt till rött (560 nm till 760 nm) och infraröda våglängder från 800 nm till 1, 200 nm.

"Fördelen med vårt tillvägagångssätt är att någon av dessa våglängder kan nås bara genom att justera dimensionerna på våra mikroresonatorer, " sa Srinivasan.

"Även om en första demonstration, " sa Lu, "vi är glada över möjligheten att kombinera denna olinjära optikteknik med väletablerad nära-infraröd laserteknik för att skapa nya typer av on-chip ljuskällor som kan användas i en mängd olika applikationer."