Den digitala tidsåldern har sett elektronik, inklusive datorchips, krympa i storlek i en otrolig hastighet, med allt tunnare chips som driver enheter som smartphones, bärbara datorer och till och med autonoma drönare. I kölvattnet av denna utveckling, en annan miniatyrteknologi har fått fart:integrerad fotonik.

Fotoner, som är ljusets kvantpartiklar, har vissa fördelar jämfört med elektroner, elektronikens namngivna. För vissa applikationer, fotoner erbjuder snabbare och mer exakt informationsöverföring och använder mindre effekt än elektroner. Och eftersom on-chip fotonik till stor del är byggd med samma teknik skapad för elektronikindustrin, de bär löftet om att integrera elektronik och fotonik på samma chip.

Små fotoniska chips har redan antagits på många ställen, inklusive telekommunikationsnät (tänk fiberoptiskt internet) och stora datacenter (tänk gränssnitt mellan fiberoptik och elektronik). Andra industrier är på väg att dra nytta av fotonik, med självkörande biltillverkare som utvecklar ljusbaserade radarchips. Dock, många verktyg som är väletablerade inom traditionell optik – saker som använder laser, linser och annan skrymmande utrustning - har ännu inte en kompakt fotonisk analog. För futuristiska verktyg som ljusbaserade kvantdatorer eller bärbara optiska klockor, mer arbete återstår att packa ihop allt.

Nu, forskare vid JQI har lagt till ett nytt verktyg till fotonikverktyget:ett sätt att använda kisel, det inhemska materialet för mycket av digital elektronik och fotonik, för att effektivt fördubbla frekvensen av laserljus. Genom att kombinera två befintliga tekniker, laget uppnådde en frekvensfördubblingseffektivitet 100 gånger större än tidigare experiment med kiselföreningar. De detaljerade sina resultat i en artikel publicerad i tidskriften Nature Photonics .

Ljusvågor består av fotoner, men de har också en frekvens. Våra ögon ser en liten del av dessa frekvenser som regnbågens färger, men mikrovågor, Röntgenstrålar och radiovågor (bland andra) finns också i detta spektrum. Att fördubbla ljusfrekvensen är ett sätt att konvertera mellan dessa olika intervall. I det nya verket, laget visade en fördubbling av infrarött ljus - vanligt förekommande inom optisk telekommunikation - till rött ljus, språket för mycket precisa atomur.

Frekvensfördubbling är en effekt som kan uppstå när ljus interagerar med mediet det färdas genom, vare sig det är luft, vatten eller kisel. Beroende på egenskaperna hos dessa material, lite av ljuset kan fördubblas, tredubblats, eller, i extrema fall, multiplicerat till ännu högre grader, som en musiknot som också genererar lite ljud, två, eller flera oktaver upp. Genom att välja rätt material, och belysa den på rätt sätt, forskare kan få den harmoniska de behöver.

Tyvärr, kisel- och kiselföreningar - de valbara materialen för att dirigera ljus på ett chip på grund av kiseltillverkningens mognad och enkel integrering med elektronik - stöder inte i själva verket frekvensfördubbling. Kristallstrukturen är för enhetlig, vilket betyder att det ser likadant ut i alla riktningar. Detta förbjuder fördubblingseffekten, som förlitar sig på att elektroner i materialet skiftar ett sätt mer än på ett annat under påverkan av ljus. Men när ljuset är begränsat till ett litet spår på ett chip, saker och ting blir lite mindre enhetliga:trots allt, luften är alltid i närheten, och det ser inte alls ut som en silikonkristall. Så, en liten mängd frekvens fördubblat ljus genereras, men oftast räcker det inte för att vara användbar.

I det nya verket, ett team som leds av JQI -stipendiat Kartik Srinivasan, en stipendiat vid National Institute of Standards and Technology (NIST), och NIST och UMD postdoktoral forskare Xiyuan Lu, kombinerade två tidigare utforskade tekniker för att bygga vidare på denna lilla effekt, genererar 100 gånger mer frekvens fördubblat ljus än några tidigare kiselexperiment. Dessutom, deras fördubbling skedde med en effektivitet på 22%, tillräckligt märkbar för att vara användbar i applikationer.

Det första tricket var att fånga ljuset i en resonator, få ljuset att gå runt och runt och utlösa den lilla dubbleringseffekten om och om igen. För att uppnå detta, forskarna dirigerade först nära-infrarött laserljus till en optisk fiber. Fibern sköt sedan ljuset in i en vågledare av kiselnitrid tryckt på ett kiselchip. Denna vågledare ledde till en annan vågledare, som lindades in i en cirkel med bara 23 mikron i diameter. Den cirkulära resonatorn, som konstruerades för att fånga det inkommande ljuset och cirkulera det runt, låtit en liten bit av frekvensfördubbling ske om och om igen. En annan rak vågledare, på andra kanten av resonatorn, var inställd för att föra bort det frekvensfördubblade ljuset.

Det andra tricket var att göra kislet mindre enhetligt genom att förspänna det med ett elektriskt fält. Lyckligtvis, inget yttre fält behövdes faktiskt – den lilla mängden frekvensfördubblat ljus, kombinerat med det ursprungliga infraröda pumpljuset, fick elektronerna i resonatorn att samlas vid kanterna, skapar ett konstant elektriskt fält. Detta fält förbättrade kraftigt kiselnitridens frekvensfördubblingskapacitet.

"Det är en återkopplingsprocess, "säger Srinivasan, "eftersom lite frekvensfördubblat ljus och pumpljus börjar skapa det konstanta elektriska fältet, gör frekvensdubblingsprocessen starkare, vilket i sin tur skapar mer frekvensdubblat ljus. Så både pumpljuset och det dubbla frekvensljuset cirkulerar runt i den här ringen, och det finns denna enorma förmåga att ta det här som började som extremt svagt, och sedan faktiskt göra det till en ganska stark effekt."

Att få båda dessa effekter att fungera i samma enhet var inte lätt. Inte nog med att resonatorringen måste ha exakt rätt storlek för att fånga pumpen och frekvensfördubblat ljus, ljuset måste också staplas upp på rätt sätt i resonatorn. För att uppnå detta, detaljerade simuleringar och exakt tillverkning i ett renrum är nödvändiga. Men när en sådan exakt enhet är tillverkad, allt du behöver göra är att skicka in pumpljus, och observera frekvensfördubblat ljus vid utgången.

"För att möjliggöra effektiv interaktion mellan ljus och materialet, ljus i olika färger måste leva länge och också röra sig med exakt samma hastighet, säger Lu, "Vår enhet implementerar dessa två nyckelfaktorer i fotoinducerad frekvensfördubbling, vilket avsevärt ökar strömeffektiviteten för denna process."

Denna enhet är ytterligare ett steg i en lång strävan efter att uppnå en bärbar, ultraprecis atomklocka. "Dessa optiska klockor är dessa fantastiska tidtagningsenheter, men vanligtvis är de i ett stort labb, " säger Srinivasan. "Om det kunde vara i ett litet paket kan det gå på bilar eller drönare eller andra fordon. Timing ligger till grund för många viktiga navigationsapplikationer, och för det mesta, nu, människor litar på GPS-signaler. Men det finns alla möjliga möjligheter att det kan finnas något i vägen, och du kan inte få de signalerna, eller någon lurar signalen. Så, Att ha bärbara tidtagningsinstrument som verkligen kan ge dig exakt och exakt tid för långa sträckor innan du behöver en synkroniseringssignal från GPS är meningsfullt."

Även om det inte är stjärnan i serien, frekvensdubbling är en nödvändig komponent i optiska atomklockor. Dessa klockor producerar ett extremt regelbundet slag, men vid optiska frekvenser - hundratals biljoner ljusfältoscillationer per sekund. Konventionell elektronik kan inte samverka med den signalen direkt, så för att få ner denna precision till en begriplig frekvens (bara miljarder oscillationer per sekund) använder forskare frekvenskammar - laserkällor med frekvens "tänder" med helt regelbundna intervall, en uppfinning som vann 2005 års Nobelpris i fysik.

För att vara användbar, dessa frekvenskammar måste kalibreras - varje tand i kammen måste märkas med ett specifikt frekvensvärde. Det enklaste och vanligaste sättet att kalibrera dem är att ta den lägsta tanden i kammen, frekvensen fördubblar den, och jämför med den högsta tanden:detta ger frekvensen för den lägsta tanden. Tillsammans med en enkel mätning av avståndet mellan tänderna, forskare kan använda detta för att härleda den exakta frekvensen av varje tand.

Nyligen, flera delar av on-chip atomur, inklusive små atomånga celler och on-chip frekvenskammar, har uppnåtts inom kiselbaserad fotonik. Dock, kalibreringen av frekvensfördubbling gjordes tidigare med skrymmande optik eller med material som är mindre kompatibla med kisel. "Åtminstone begreppsmässigt, " säger Srinivasan, "vi är ett steg närmare en kalibrerad frekvenskam i ett riktigt kompakt paket. Det finns fortfarande arbete kvar att göra för att verkligen kunna sätta ihop dessa saker, men vi är närmare en kompakt optisk atomklocka än vi var tidigare."