Los microrresonadores de guía de ondas ópticas creados por el grupo del profesor Won Park en la Universidad de Colorado Boulder están abriendo de par en par la puerta a nuevas tecnologías de sensores en-chip.
Estos pequeños sensores ópticos atrapan la luz en-un chip y aumentan su intensidad-y su alto-Q El factor y la no linealidad los hacen ideales para aplicaciones como láseres-de ancho de línea estrecho mediante dispersión Brillouin y Raman estimulada, generación de peine de frecuencia o procesamiento de información cuántica.
"Estamos interesados en explorar la óptica no lineal con nuevos materiales-en nuestro caso, calcogenuros, que son conocidos por su transparencia de longitud de onda larga, alta no linealidad y una naturaleza amorfa que tienen posibilidades de integración con otros materiales como el niobato de litio y el nitruro de silicio", explica Park, profesor de ingeniería eléctrica.
¿Euler?
El diseño del microresonador de guía de ondas ópticas del grupo se basa en curvas en "U" de Euler, que permiten que la luz permanezca dentro del microresonador durante aproximadamente 3 nanosegundos (durante la vida útil del fotón de 3-ns, la luz viaja aproximadamente medio metro o casi mil viajes de ida y vuelta). Esto aumenta la longitud del camino de los dispositivos y permite interacciones ópticas no lineales. Básicamente, brinda a los investigadores el control de la pérdida por flexión inherente a los microresonadores y habilita dispositivos de pérdida ultrabaja-similares a otras-plataformas de materiales-de última generación.
Las simulaciones fueron fundamentales para identificar por qué los resonadores tradicionales pierden tanta luz. "Utilizamos COMSOL Multiphysics para calcular distribuciones de campos modales y realizar integrales de superposición", dice Park. "Esto nos permitió identificar un 'punto óptimo' en la unión donde se encuentran las guías de ondas rectas y curvas. También utilizamos simulaciones FDTD para modelar cómo se propaga la luz a través de las curvas de Euler para garantizar que pudiéramos suprimir la excitación del modo de orden superior-que normalmente afecta a estos dispositivos de tamaño pequeño-.
De hecho, el grupo diseñó las estructuras para otro experimento y se sorprendió mucho al descubrir altas-Q factores que desde entonces han repetido en dos salas blancas diferentes.
"Nuestro momento decisivo fue darnos cuenta de que mediante el uso de curvas de Euler-donde la curvatura cambia linealmente-podíamos esencialmente 'engañar' a la luz para que permaneciera en el modo fundamental a pesar de las curvas muy cerradas", dice Park. "Fue increíblemente gratificante ver que nuestros resultados experimentales coincidían con el factor de calidad intrínseco teórico de 4,55 × 106. Lograr la cifra de mérito no lineal más alta reportada para los PIC de calcogenuro es la guinda del pastel".
Desafío de litografía
Para llegar allí, el grupo primero tuvo que desarrollar un proceso de modelado litográfico por haz de electrones para su material, porque la litografía tradicional que utiliza fotones está limitada por la longitud de onda de la luz.
¿El principal obstáculo involucrado? Sensibilidad material. "Los calcogenuros pueden sufrir oxidación superficial y absorción relacionada con impurezas-", dice Park. "En un esfuerzo dirigido por dos estudiantes de posgrado, Bright Lu y James Erikson, superamos esto mediante el uso de un proceso de recocido al vacío a 250 grados para mejorar la homogeneidad del material y reducir la rugosidad de la superficie. También necesitábamos calibrar con precisión nuestro tricloruro de boro (BCl).3) y una mezcla de gas argón (Ar) durante el grabado de iones reactivos con plasma acoplado inductivamente (ICP RIE) para garantizar paredes laterales lisas, lo cual es vital para mantener una temperatura ultraalta-Q' actuación."
'Navaja suiza' para los PIC
Estos resonadores son similares a "una navaja suiza para PIC", dice Park. "Debido al alto-Qfactor y no linealidad, son perfectos para una amplia variedad de aplicaciones, como láseres de ancho de línea-estrecho mediante dispersión Brillouin y Raman estimulada, generación de peine de frecuencia para metrología y telecomunicaciones, o procesamiento de información cuántica donde la baja-pérdida en-componentes de chip no es negociable".
Ahora que el grupo de Park ha demostrado las capacidades de baja-pérdida de la plataforma (pérdida de absorción de 0,43 dB/m), están analizando el límite de pérdida final. "También estamos ampliando aún más las guías de ondas para avanzar hacia un rendimiento 'material-limitado', lo que potencialmente podría impulsar nuestraQ-factores aún mayores y permiten interacciones no lineales aún más eficientes", afirma.
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