Разработан новый тип интегрированного фотонного устройства, способного генерировать широкий диапазон световых частот на чипе

Исследователи продемонстрировали новый подход: разделение работы между двумя материалами. Как сообщается в Advanced Photonics, ученые объединили два нелинейно-оптических эффекта, которые обычно проявляются по отдельности. В их устройстве ядро из нитрида кремния генерирует оптические частотные гребенки, а окружающий его слой диоксида кремния — комбинационное рассеяние. Используя преимущества обоих материалов, команда создала новый тип интегрированного фотонного устройства, способного генерировать широкий диапазон световых частот на чипе.

На первый взгляд идея кажется простой. Свет, проходящий через фотонную цепь, обычно концентрируется в сердцевине волновода, в то время как окружающая его оболочка в основном служит для удержания света. Исследователи обнаружили, что часть циркулирующего света естественным образом распространяется на оболочку. Вместо того чтобы считать эту область пассивной, они сконструировали устройство таким образом, чтобы свет мог активно с ней взаимодействовать.

В результате получилась гибридная система, в которой каждый материал обладает своими уникальными свойствами. Кремний обеспечивает рамановский прирост — процесс, при котором свет взаимодействует с молекулярными колебаниями и возникает на новой частоте. Нитрид кремния, в свою очередь, хорошо известен своей сильной нелинейностью Керра, которая позволяет генерировать оптические частотные гребенки — точно расположенные друг от друга наборы световых частот, которые часто называют оптическими линейками.

Устройство состоит из кольцевого резонатора из нитрида кремния, окружённого кремнезёмом. Около 31 процента циркулирующего оптического поля перекрывается оболочкой, что позволяет свету взаимодействовать с обоими материалами при прохождении по кольцу.

Такое расположение позволило добиться того, чего ранее не удавалось добиться в интегрированной фотонике на основе нитрида кремния: рамановской генерации. Хотя нитрид кремния стал одним из важнейших материалов в интегрированной фотонике благодаря низким оптическим потерям и широкому рабочему диапазону, сам по себе он не обеспечивает достаточного рамановского усиления. Воспользовавшись этой способностью кварцевой облицовки, исследователи смогли преодолеть это ограничение.

Чтобы проверить эту концепцию, команда изготовила кольцевые резонаторы из нитрида кремния, покрытые кремнеземом, и накачала их лазером непрерывного излучения. Когда лазерный луч попадал в резонатор, появлялся новый сигнал на частоте, сдвинутой на 11 терагерц относительно длины волны накачки, — это признак комбинационного рассеяния в кремнеземе. Когда исследователи меняли длину волны накачки, новый сигнал смещался соответствующим образом, сохраняя то же частотное разделение, что подтверждало источник эффекта.

Эксперименты показали поэтапную эволюцию оптических свойств устройства. Изначально резонатор генерировал рамановские лазерные сигналы, известные как стоксовы и антистоксовы боковые полосы. По мере увеличения входной мощности в сердцевине из нитрида кремния начал преобладать другой нелинейный процесс — четырехволновое смешение. Появились новые частоты вокруг исходной длины волны лазера и вокруг света, генерируемого в результате рамановской спектроскопии. В конечном итоге эти частоты превратились в широкие оптические частотные гребенки.

Затем исследователи улучшили характеристики устройства, изменив размеры волновода из нитрида кремния. Небольшое увеличение ширины волновода изменило характер прохождения различных длин волн через резонатор, что позволило оптическим модам взаимодействовать более эффективно. В результате была получена гребенчатая структура частот с диапазоном более 400 нанометров, в которой линии гребенчатой структуры возникали не только вокруг длины волны накачки, но и вокруг нескольких длин волн, сдвинутых в результате комбинационного рассеяния.

Измерения практически полностью совпали с теоретическими прогнозами. Исследователи рассчитали, что рамановская генерация должна начинаться при оптической мощности на чипе примерно в 140 милливатт. Эксперименты показали, что порог составляет 143 милливатта, что является убедительным доказательством того, что рамановский эффект действительно возникает в оболочке из диоксида кремния.

Хотя генерируемые гребенки не были полностью когерентными, эффективность преобразования энергии в системе составила более 32 процентов, то есть значительная часть входящего света преобразовывалась в новые частоты. Исследователи полагают, что дальнейшая доработка устройства может повысить его когерентность при сохранении эффективности.