Um divisor não linear ultrarrápido e de alto desempenho baseado em niobato de lítio

Comparação do projeto do dispositivo e princípio de funcionamento. Fotônica da Natureza (2022). DOI:10.1038/s41566-022-01044-5

A ótica, tecnologias que potencializam o comportamento e as propriedades da luz, são a base de muitas ferramentas tecnológicas existentes, principalmente os sistemas de comunicação por fibra que permitem a comunicação de alta velocidade de longa e curta distância entre dispositivos. Os sinais ópticos têm uma alta capacidade de informação e podem ser transmitidos a distâncias maiores.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia desenvolveram recentemente um novo dispositivo que pode ajudar a superar algumas das limitações dos sistemas ópticos existentes. Este dispositivo, apresentado em um artigo publicado na Nature Photonics , é um dispositivo à base de niobato de lítio que pode alternar pulsos de luz ultracurtos em uma energia de pulso óptico extremamente baixa de dezenas de femtojoules.

"Ao contrário da eletrônica, a óptica ainda carece de eficiência nos componentes necessários para computação e processamento de sinais, o que tem sido uma grande barreira para desbloquear os potenciais da óptica para esquemas de computação ultrarrápidos e eficientes", disse Alireza Marandi, pesquisador principal do estudo, ao Phys.org . "Nas últimas décadas, esforços substanciais foram dedicados ao desenvolvimento de comutadores totalmente ópticos que poderiam enfrentar esse desafio, mas a maioria dos projetos com eficiência energética sofria de tempos de comutação lentos, principalmente porque usavam ressonadores de Q alto ou ressonadores de portadora. não linearidades baseadas."

O principal objetivo do estudo recente de Marandi e seus colegas foi alavancar a não linearidade inerente do niobato de lítio para desenvolver um interruptor óptico de alto desempenho. Eles queriam que esse interruptor fosse ultrarrápido (na faixa de femtosegundos) e operasse no regime de energia ultrabaixa (ou seja, femtojoule).

Ao projetar seu dispositivo, os pesquisadores não integraram nenhum ressonador. Em vez disso, eles introduziram dois elementos-chave que melhoraram o desempenho de comutação de seus dispositivos, tanto em termos de consumo de energia quanto de velocidade.

"Primeiro, utilizamos o confinamento espaço-temporal da luz em guias de nanoondas para melhorar as interações não lineares porque a força dos processos não lineares paramétricos depende da intensidade do pico", disse Marandi. “Esse confinamento espaço-temporal foi possível em niobato de lítio nanofotônico por causa da seção transversal em nanoescala dos guias de onda e a possibilidade de engenharia de dispersão, que permite que os pulsos de femtossegundos permaneçam curtos à medida que se propagam através do guia de ondas em nanoescala”.

A segunda característica do dispositivo criado por Marandi e seus colegas é que a correspondência de quase-fase de suas interações não lineares foi projetada. Mais especificamente, a equipe projetou e mudou a orientação cristalográfica do niobato de lítio ao longo de seus guias de nanoondas.

"Usamos um padrão periódico com um defeito artificial no meio, que alterna deterministicamente o processo não linear de geração de segundo harmônico (SHG) para amplificação paramétrica óptica (OPA)", Qiushi Guo, pesquisador de pós-doutorado e principal autor do artigo. explicou. "Ao adicionar um acoplador seletivo de comprimento de onda antes desse defeito, uma vez que pulsos de entrada de baixa energia não levam a SHG eficiente na primeira metade do guia de onda, eles serão descartados pelo acoplador linear. No entanto, pulsos de alta energia levam a SHG eficiente antes do acoplador e, portanto, não será descartado pelo acoplador, porque a energia de entrada será armazenada no comprimento de onda do segundo harmônico da entrada. Após o defeito, o processo OPA reverte o sinal para o comprimento de onda de entrada."

Nas avaliações iniciais, os pesquisadores descobriram que seu design permitia uma comutação totalmente óptica ultrarrápida, consumindo apenas femtojoules de energia. Especificamente, o dispositivo alcançou energias de comutação ultrabaixas de até 80 fJ, apresentando um tempo de comutação mais rápido de ~46 fs e um produto de tempo de energia mais baixo de 3,7 × 10⁻²⁷ J s em fotônica integrada.

"Nosso design de dispositivo é muito diferente dos switches totalmente ópticos anteriores, principalmente por causa da maneira como projetamos a correspondência de quase fase e como poderíamos utilizar pulsos ultracurtos, e o desempenho resultante é extraordinário", disse Marandi. "Esta é uma das maneiras mais ótimas de realizar um divisor óptico não linear. No entanto, não estamos acostumados a pensar sobre o processamento de informações dessa maneira. Por exemplo, para comunicação, a maneira mais usada de empacotar informações em sinais ópticos é multiplexação por divisão de comprimento de onda, que não é realmente compatível com esse mecanismo de comutação."

O interruptor criado pelos pesquisadores é particularmente adequado para o que é conhecido como multiplexação por divisão de tempo, uma técnica de empacotar informações em um sinal óptico para comunicação e processamento de informações. A capacidade do dispositivo de suportar esse esquema de multiplexação pode abrir possibilidades sem precedentes nessa área, aproveitando a velocidade ultrarrápida e outras qualidades vantajosas da óptica.

"O processamento de informações com taxas de clock de THz pode ser uma das implicações importantes do nosso trabalho", disse Marandi. "As possibilidades em nanofotônicos ultrarrápidos de niobato de lítio são impressionantes."

O trabalho recente dessa equipe de pesquisadores demonstra o vasto potencial de dispositivos fotônicos não lineares integrados. No futuro, isso pode ajudar a repensar o design das tecnologias fotônicas e ópticas em nível de dispositivo e sistema.

Em seus próximos estudos, Marandi e seus colegas planejam continuar desenvolvendo dispositivos de alto desempenho com funcionalidades únicas e inovadoras. Sua esperança é contribuir para a criação de circuitos e sistemas nanofotônicos ultrarrápidos e em larga escala.

"Também estamos empolgados em utilizar nosso divisor não linear como o núcleo de um laser integrado de modo bloqueado", acrescentou Marandi. "O divisor pode atuar como um 'absorvedor saturável', que é o principal bloco de construção para o bloqueio de modo passivo e tem sido um desafio alcançar em fotônica integrada. A absorção saturável efetiva em nosso dispositivo tem uma velocidade e eficiência energética extraordinárias, e sua design é compatível com lasers integrados." + Explorar mais