Uno splitter non lineare ultraveloce e altamente performante a base di niobato di litio

Jan 12, 2024

Funzionalità del 12 agosto 2022

di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

L’ottica, le tecnologie che sfruttano il comportamento e le proprietà della luce, sono la base di molti strumenti tecnologici esistenti, in particolare i sistemi di comunicazione in fibra che consentono la comunicazione ad alta velocità a lunga e breve distanza tra dispositivi. I segnali ottici hanno un'elevata capacità di informazione e possono essere trasmessi su distanze maggiori.

I ricercatori del California Institute of Technology hanno recentemente sviluppato un nuovo dispositivo che potrebbe aiutare a superare alcuni dei limiti dei sistemi ottici esistenti. Questo dispositivo, presentato in un articolo pubblicato su Nature Photonics, è un dispositivo a base di niobato di litio in grado di commutare impulsi di luce ultracorti con un'energia di impulso ottico estremamente bassa di decine di femtojoule.

"A differenza dell'elettronica, l'ottica manca ancora di efficienza nei componenti richiesti per il calcolo e l'elaborazione del segnale, il che ha rappresentato un ostacolo importante per sbloccare le potenzialità dell'ottica per schemi informatici ultraveloci ed efficienti", ha detto a Phys.org Alireza Marandi, ricercatore capo dello studio. . "Negli ultimi decenni, sono stati dedicati sforzi sostanziali allo sviluppo di interruttori completamente ottici in grado di affrontare questa sfida, ma la maggior parte dei progetti ad alta efficienza energetica soffrivano di tempi di commutazione lenti, principalmente perché utilizzavano risonatori ad alto Q o portanti non linearità basate."

L'obiettivo principale del recente studio di Marandi e dei suoi colleghi era sfruttare la non linearità intrinseca del niobato di litio per sviluppare un interruttore ottico ad alte prestazioni. Volevano che questo interruttore fosse ultraveloce (nell'ordine dei femtosecondi) e operasse in un regime energetico ultra-basso (cioè femtojoule).

Durante la progettazione del loro dispositivo, i ricercatori non hanno integrato alcun risonatore. Hanno invece introdotto due elementi chiave che hanno migliorato le prestazioni di commutazione del loro dispositivo, sia in termini di consumo energetico che di velocità.

"In primo luogo, utilizziamo il confinamento spazio-temporale della luce nelle nanoguide per migliorare le interazioni non lineari perché la forza dei processi parametrici non lineari dipende dall'intensità di picco", ha affermato Marandi. "Questo confinamento spazio-temporale era possibile nel niobato di litio nanofotonico grazie alla sezione trasversale su scala nanometrica delle guide d'onda e alla possibilità dell'ingegneria della dispersione, che consente agli impulsi al femtosecondo di rimanere brevi mentre si propagano attraverso la guida d'onda su scala nanometrica."

La seconda caratteristica caratterizzante del dispositivo creato da Marandi e dai suoi colleghi è che è stata progettata la corrispondenza quasi-fase delle sue interazioni non lineari. Più specificamente, il team ha progettato e modificato l'orientamento cristallografico del niobato di litio lungo le sue guide nanoonde.

"Utilizziamo uno schema periodico con un difetto artificiale nel mezzo, che commuta deterministicamente il processo non lineare dalla generazione della seconda armonica (SHG) all'amplificazione parametrica ottica (OPA)", Qiushi Guo, ricercatore post-dottorato e autore principale dell'articolo spiegato. "Aggiungendo un accoppiatore selettivo in lunghezza d'onda prima di questo difetto, poiché gli impulsi di ingresso a bassa energia non portano a un SHG efficiente nella prima metà della guida d'onda, verranno eliminati dall'accoppiatore lineare. Tuttavia, gli impulsi ad alta energia portano a un SHG efficiente prima dell'accoppiatore e quindi non verrà eliminato dall'accoppiatore, perché l'energia in ingresso verrà immagazzinata nella lunghezza d'onda della seconda armonica dell'ingresso. Dopo il difetto, il processo OPA ripristina il segnale alla lunghezza d'onda dell'ingresso.

Nelle valutazioni iniziali, i ricercatori hanno scoperto che il loro design consentiva una commutazione completamente ottica ultraveloce, consumando solo femtojoule di energia. Nello specifico, il loro dispositivo ha raggiunto energie di commutazione ultrabasse fino a 80 fJ, con un tempo di commutazione più rapido di ~46 fs e un prodotto energia-tempo più basso di 3,7 × 10−27 J s nella fotonica integrata.