تمثل أطوال موجات الليزر المطلوبة للعديد من التجارب الأكثر إثارة للاهتمام اليوم، وخاصة ضمن النطاق المرئي، تحديًا لمصدر الدوائر المتكاملة الضوئية الصغيرة (PICs). لكن باحثي الضوئيات في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) وزملاءهم في شركة Octave Photonics يقودون حلاً لمشكلة الوصول إلى الطول الموجي-ويعالجون أيضًا التحديات التي تواجه توحيد الوظائف الضوئية المختلفة لدعم التبديل البصري والتوجيه والتصفية
أحد الأساليب الشائعة اليوم هو الجمع بين مواد ضوئية مختلفة لمحاولة تمكين هذه الوظائف المختلفة والاستفادة من نقاط القوة حيثما وجدت، ولكن لا توجد مادة واحدة يمكنها القيام بذلك على جميع المقاييس المطلوبة لتقديم تطبيقات جديدة.
يقول جرانت م. برودنيك، عالم الفيزياء في مجموعة الضوئيات النانوية الكمية وغير الخطية التابعة للمعهد الوطني للمعايير والتقنية: "لقد استلهم عملنا من الهدف النبيل المتمثل في تحقيق "أي ليزر ذو طول موجي،" مع التوافق المباشر مع التقنيات الضوئية الحالية". "لقد أظهرنا وظائف أخرى مثل أمشاط التردد وتوليد الاستمرارية الفائقة، لأن النظام الأساسي يدعمها بشكل مباشر. وتلعب هذه القدرات دورًا رئيسيًا في العديد من التطبيقات المهمة."
شكرا لك، البصريات غير الخطية
للوصول إلى السرعة التي يتطلبها الذكاء الاصطناعي (AI) والتطبيقات الكمومية، يعد التحول من الإلكترونات إلى الفوتونات أمرًا بالغ الأهمية-وكذلك أجهزة الليزر "بأي طول موجي" ذات حجم رقاقة.
شرح مختصر للنهج الجديد للفريق: يبدأ برقاقة سيليكون قياسية مغلفة بثاني أكسيد السيليكون (الزجاج) ونيوبات الليثيوم، وهي مادة غير خطية يمكنها تغيير لون الضوء الذي يدخل إليها. تؤدي إضافة المعدن إلى تمكين نيوبات الليثيوم من الاتصال كهربائيًا-لتحويل لون واحد من الضوء إلى ألوان أخرى. يمكن أن تسمح واجهات نيوبات الليثيوم- المعدنية المشابهة بتشغيل/إيقاف الضوء بسرعة (فكر في التوجيه عالي السرعة ومعالجة البيانات-.
إن ترسيب أنماط معقدة من خامس أكسيد التنتالوم، المعروف أيضًا باسم تانتالا، مباشرة فوق الدوائر الضوئية الأخرى يسمح للمنصات الضوئية متعددة الاستخدامات بالعمل في تناغم. تانتالا هي مادة قوية غير خطية ومناسبة تمامًا لتشغيل الطول الموجي المرئي. يقول برودنيك: "الأهم من ذلك، أنها تتمتع بخصائص مادية جذابة (تتعلق بتصنيعها) تجعلها قابلة للتكامل المباشر مع المواد الضوئية الأخرى".
وعندما قام الباحثون بتصميم المواد فوق بعضها البعض في حزمة ثلاثية الأبعاد، انتهى بهم الأمر إلى الحصول على شريحة واحدة تعمل على توجيه الضوء بكفاءة بين الطبقات. تجمع هذه الشريحة بين قدرات تانتالا في التعامل مع الضوء وإمكانية التحكم في نيوبات الليثيوم.
يوضح برودنيك أن البصريات غير الخطية هي فيزياء "ليست -هكذا-سرية" فيزياء "لصنع ألوان جديدة تمامًا من الضوء من اللون الفردي الذي نضعه". "إذا التقطت صورة بالكاميرا، فإنك لا تتوقع أن تتغير ألوان الصورة عند المرور عبر العدسة. ولكن مع المواد غير الخطية ذات القدرات الضوئية العالية التي يوفرها الليزر، فإن هذا ما يحدث بالضبط. إنها تقنية رئيسية تعمل على تشغيل أجهزة الليزر المنضدية-التي تنتج العديد من الألوان المخصصة اليوم. نحن نستخدم هذه التقنيات-ولكن مع الدوائر الضوئية داخل أجهزة أصغر من حجم حبة الأرز."
إن أروع جانب في هذا العمل بالنسبة لبرودنيك هو رؤية "ألوان جديدة ومبهرة في كثير من الأحيان من الضوء تخرج من أجهزتنا من تحويل ضوء الإدخال (وهو غير مرئي لأعيننا)"، كما يقول. "في المختبر، مع وجود شريحة في مرحلة الاختبار، نطلب ببطء معلمات التشغيل ويبدأ اللون الأزرق النابض بالحياة-الأخضر في التوهج عبر الشريحة. وفي الجهاز التالي، نجعلها زرقاء-بنفسجية. يبدو الأمر أشبه بالسحر."
ويقول برودنيك إن عملهم "يضع الأساس ويوضح إمكانات المنصة". "سنعمل بالتأكيد على تحسين أداء التصميمات الحالية، لكن النظام الأساسي يفتح وظائف ومقابض تصميم جديدة نحن متحمسون لاستكشافها."
العديد من التطبيقات التي تتضمن التفاعل مع التحولات الذرية-تعتقد أن الاستشعار الكمي والحوسبة-تتطلب ضوءًا بأطوال موجية تمتد على نطاقات الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة-. يقول برودنيك: "يمكن للتطبيقات التي تحتاج إلى توجيه الضوء وتشغيله وإيقافه بسرعة، مثل معالجة البيانات البصرية والحوسبة، الاستفادة من المنصة أيضًا من خلال الاستفادة من وظائف الفيزياء الأخرى التي توفرها المواد". "ربما تكون تقنية العرض الاستهلاكي تطبيقًا آخر. وهناك العديد من التطبيقات الأخرى-التي لم نفكر فيها بعد، والتي يمكن للمجتمع العلمي الآن أخذها في الاعتبار وتطويرها."
يقول برودنيك: "يمتلك الفريق عددًا من البنى الضوئية المثيرة حاليًا في مراحل التصميم، والتي تتطلب مجموعة كاملة من الإمكانات التي تدعمها منصتنا". "نحن متحمسون أيضًا للتعاون مع الزملاء والباحثين الآخرين الذين قدموا لنا أفكارًا وتطبيقات جديدة ربما لم نفكر فيها أو تتطلب خبرة مشتركة لمتابعتها. أوقات مثيرة."
