Ein ultraschneller und leistungsstarker nichtlinearer Splitter auf Basis von Lithiumniobat

Jan 12, 2024

Feature vom 12. August 2022

von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Optik, also Technologien, die das Verhalten und die Eigenschaften von Licht nutzen, sind die Grundlage vieler bestehender technologischer Werkzeuge, insbesondere von Glasfaserkommunikationssystemen, die eine Hochgeschwindigkeitskommunikation über große und kurze Entfernungen zwischen Geräten ermöglichen. Optische Signale verfügen über eine hohe Informationskapazität und können über größere Entfernungen übertragen werden.

Forscher am California Institute of Technology haben kürzlich ein neues Gerät entwickelt, das dabei helfen könnte, einige der Einschränkungen bestehender optischer Systeme zu überwinden. Bei diesem Gerät, das in einem in Nature Photonics veröffentlichten Artikel vorgestellt wurde, handelt es sich um ein auf Lithiumniobat basierendes Gerät, das ultrakurze Lichtimpulse mit einer extrem niedrigen optischen Impulsenergie von mehreren zehn Femtojoule schalten kann.

„Im Gegensatz zur Elektronik mangelt es der Optik immer noch an Effizienz bei den erforderlichen Komponenten für die Datenverarbeitung und Signalverarbeitung, was ein großes Hindernis für die Erschließung des Potenzials der Optik für ultraschnelle und effiziente Datenverarbeitungssysteme darstellt“, sagte Alireza Marandi, leitende Forscherin der Studie, gegenüber Phys.org . „In den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um rein optische Schalter zu entwickeln, die diese Herausforderung meistern könnten, aber die meisten energieeffizienten Designs litten unter langsamen Schaltzeiten, hauptsächlich weil sie entweder Resonatoren mit hohem Gütefaktor oder Träger- basierende Nichtlinearitäten.

Das Hauptziel der aktuellen Studie von Marandi und seinen Kollegen bestand darin, die inhärente Nichtlinearität von Lithiumniobat zu nutzen, um einen leistungsstarken optischen Schalter zu entwickeln. Sie wollten, dass dieser Schalter ultraschnell (im Femtosekundenbereich) ist und im extrem niedrigen Energiebereich (d. h. Femtojoule) arbeitet.

Beim Design ihres Geräts haben die Forscher keine Resonatoren integriert. Stattdessen führten sie zwei Schlüsselelemente ein, die die Schaltleistung ihres Geräts verbesserten, sowohl im Hinblick auf den Energieverbrauch als auch auf die Geschwindigkeit.

„Erstens nutzen wir die räumlich-zeitliche Eingrenzung des Lichts in Nanowellenleitern, um die nichtlinearen Wechselwirkungen zu verbessern, da die Stärke parametrischer nichtlinearer Prozesse von der Spitzenintensität abhängt“, sagte Marandi. „Diese räumlich-zeitliche Beschränkung war in nanaophotonischem Lithiumniobat aufgrund des nanoskaligen Querschnitts der Wellenleiter und der Möglichkeit der Dispersionstechnik möglich, die es ermöglicht, dass Femtosekundenpulse kurz bleiben, während sie sich durch den nanoskaligen Wellenleiter ausbreiten.“

Das zweite charakteristische Merkmal des von Marandi und seinen Kollegen entwickelten Geräts besteht darin, dass die Quasi-Phasenanpassung seiner nichtlinearen Wechselwirkungen konstruiert wurde. Genauer gesagt entwarf und veränderte das Team die kristallografische Ausrichtung von Lithiumniobat entlang seiner Nanowellenleiter.

„Wir verwenden ein periodisches Muster mit einem künstlichen Defekt in der Mitte, der den nichtlinearen Prozess deterministisch von der Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) auf die optische parametrische Verstärkung (OPA) umschaltet“, sagt Qiushi Guo, Postdoktorand und Hauptautor der Arbeit erklärt. „Durch das Hinzufügen eines wellenlängenselektiven Kopplers vor diesem Defekt werden Eingangsimpulse mit niedriger Energie nicht zu einem effizienten SHG in der ersten Hälfte des Wellenleiters führen und vom Linearkoppler verworfen. Energiereiche Impulse führen jedoch zu einem effizienten SHG.“ vor dem Koppler und wird daher nicht vom Koppler fallen gelassen, da die Eingangsenergie in der Wellenlänge der zweiten Harmonischen des Eingangs gespeichert wird. Nach dem Defekt setzt der OPA-Prozess das Signal auf die Eingangswellenlänge zurück.

In ersten Auswertungen stellten die Forscher fest, dass ihr Design ein ultraschnelles rein optisches Schalten ermöglichte und dabei nur Femtojoule Energie verbrauchte. Insbesondere erreichte ihr Gerät extrem niedrige Schaltenergien bis hinunter zu 80 fJ, mit einer schnellsten Schaltzeit von ~46 fs und einem niedrigsten Energie-Zeit-Produkt von 3,7 × 10−27 J s in der integrierten Photonik.

„Unser Gerätedesign unterscheidet sich stark von den vorherigen rein optischen Schaltern, vor allem aufgrund der Art und Weise, wie wir die Quasi-Phasenanpassung entwickelt haben und wie wir ultrakurze Impulse nutzen konnten, und die daraus resultierende Leistung ist außergewöhnlich“, sagte Marandi. „Dies ist eine der optimalsten Möglichkeiten, einen nichtlinearen optischen Splitter zu realisieren. Allerdings sind wir es nicht gewohnt, über Informationsverarbeitung auf diese Weise nachzudenken. Für die Kommunikation beispielsweise ist dies die am weitesten verbreitete Art, Informationen in optische Signale zu packen.“ Wellenlängenmultiplexing, das mit diesem Schaltmechanismus nicht wirklich kompatibel ist.

Der von den Forschern entwickelte Schalter eignet sich besonders für das sogenannte Zeitmultiplexing, eine Technik, bei der Informationen zur Kommunikation und Informationsverarbeitung in ein optisches Signal verpackt werden. Die Fähigkeit des Geräts, dieses Multiplex-Schema zu unterstützen, könnte in diesem Bereich beispiellose Möglichkeiten eröffnen und die ultraschnelle Geschwindigkeit und andere vorteilhafte Eigenschaften der Optik nutzen.

„Die Informationsverarbeitung mit THz-Taktraten könnte eine der wichtigen Implikationen unserer Arbeit sein“, sagte Marandi. „Die Möglichkeiten der ultraschnellen Lithiumniobat-Nanophotonik sind überwältigend.“

Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams zeigt das enorme Potenzial integrierter nichtlinearer photonischer Geräte. In Zukunft könnte es dazu beitragen, das Design photonischer und optischer Technologien sowohl auf Geräte- als auch auf Systemebene neu zu überdenken.

In ihren nächsten Studien planen Marandi und seine Kollegen, weiterhin leistungsstarke Geräte mit einzigartigen und innovativen Funktionalitäten zu entwickeln. Ihre Hoffnung ist es, zur Entwicklung groß angelegter, ultraschneller nanophotonischer Schaltkreise und Systeme beizutragen.

„Wir freuen uns auch über die Verwendung unseres nichtlinearen Splitters als Kern eines integrierten modengekoppelten Lasers“, fügte Marandi hinzu. „Der Splitter kann als ‚sättigbarer Absorber‘ fungieren, der der Hauptbaustein für die passive Modenkopplung ist und in der integrierten Photonik eine Herausforderung darstellt. Die effektive sättigbare Absorption in unserem Gerät weist eine außergewöhnliche Geschwindigkeit und Energieeffizienz auf, und das auch.“ Design ist mit integrierten Lasern kompatibel.“

Mehr Informationen: Femtojoule-Femtosekunden-Volloptisches Schalten in der Lithiumniobat-Nanophotonik. Naturphotonik (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01044-5.

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