إن أجهزة الرنانات الدقيقة ذات الدليل الموجي البصري التي أنشأتها مجموعة البروفيسور وون بارك في جامعة كولورادو بولدر تفتح الباب أمام -تقنيات استشعار الرقائق الجديدة على مصراعيها.
تقوم هذه المستشعرات الضوئية الصغيرة بحبس الضوء على-الشريحة وزيادة كثافته-وارتفاعه-Q العامل واللاخطية يجعلها مثالية لتطبيقات مثل -أشعة الليزر ذات العرض الخطي الضيق عبر تشتيت Brillouin وRaman المحفز، أو توليد مشط التردد، أو معالجة المعلومات الكمية.
"نحن مهتمون باستكشاف البصريات غير الخطية باستخدام مواد جديدة-في حالتنا، الكالكوجينيدات، المعروفة بشفافية الطول الموجي الطويل، وعدم الخطية العالية، والطبيعة غير المتبلورة التي تتمتع بإمكانيات التكامل مع مواد أخرى مثل نيوبات الليثيوم ونيتريد السيليكون،" يوضح بارك، أستاذ الهندسة الكهربائية.
أويلر؟
يعتمد تصميم المرنان الدقيق للدليل الموجي البصري للمجموعة على انحناءات أويلر "U"، والتي تسمح للضوء بالبقاء داخل المرنان الصغير لمدة 3 نانو ثانية تقريبًا (خلال عمر الفوتون 3-ns، يسافر الضوء حوالي نصف متر أو ما يقرب من ألف رحلة ذهابًا وإيابًا). وهذا يزيد من طول مسار الأجهزة ويتيح التفاعلات البصرية غير الخطية. إنه يمنح الباحثين بشكل أساسي التحكم في فقدان الانحناء المتأصل في المرنانات الدقيقة ويتيح أجهزة فقدان الانحناء فائقة الانخفاض-المشابهة لمنصات المواد-الحديثة الأخرى.
كانت عمليات المحاكاة حاسمة لتحديد سبب فقدان الرنانات التقليدية للكثير من الضوء. يقول بارك: "لقد استخدمنا COMSOL Multiphysics لحساب توزيعات مجال الوضع وإجراء تكاملات متداخلة". "لقد سمح لنا هذا بتحديد "نقطة جيدة" عند التقاطع حيث تلتقي أدلة الموجات المستقيمة والمنحنية. كما استخدمنا أيضًا عمليات محاكاة FDTD لنمذجة كيفية انتشار الضوء عبر منحنيات أويلر لضمان قدرتنا على قمع -إثارة وضع الترتيب الأعلى التي عادةً ما تصيب أجهزة البصمة الصغيرة- هذه."
قامت المجموعة بالفعل بتصميم الهياكل لتجربة أخرى وكانت مفاجأة كبيرة عندما اكتشفوا نسبة عالية-Q العوامل التي كرروها منذ ذلك الحين في غرفتين نظيفتين مختلفتين.
يقول بارك: "كانت لحظة "آها" لدينا هي إدراك أنه باستخدام منحنيات أويلر-حيث يتغير الانحناء خطيًا-يمكننا في الأساس "خداع" الضوء ليظل في الوضع الأساسي على الرغم من الانحناءات الضيقة للغاية". "لقد كان من المفيد للغاية أن نرى نتائجنا التجريبية تتطابق مع عامل الجودة النظري الجوهري البالغ 4.55 × 106. إن تحقيق أعلى رقم جدارة غير خطي تم الإبلاغ عنه بالنسبة لـ PICs الكالكوجينيد هو الكرز في الأعلى."
تحدي الطباعة الحجرية
للوصول إلى هناك، كان على المجموعة أولاً تطوير عملية نقش حجري لشعاع الإلكترون لموادها، لأن الطباعة الحجرية التقليدية التي تستخدم الفوتونات محدودة بالطول الموجي للضوء.
العقبة الرئيسية المعنية؟ حساسية المواد. يقول بارك: "يمكن أن تعاني مركبات الكالكوجينيدات من الأكسدة السطحية والامتصاص المرتبط بالشوائب-. "في جهد قاده اثنان من طلاب الدراسات العليا، برايت لو وجيمس إريكسون، تغلبنا على هذا باستخدام عملية التلدين بالتفريغ عند 250 درجة لتحسين تجانس المواد وتقليل خشونة السطح. كنا بحاجة أيضًا إلى معايرة ثلاثي كلوريد البورون (BCl) بدقة.3) وخليط غاز الأرجون (Ar) أثناء النقش الأيوني التفاعلي للبلازما المقترنة حثيًا (ICP RIE) لضمان سلاسة الجدران الجانبية، وهو أمر حيوي للحفاظ على "الارتفاع الفائق-Q' أداء."
"سكين الجيش السويسري" لبلدان جزر المحيط الهادئ
ويقول بارك إن هذه الرنانات تشبه "سكين الجيش السويسري لبلدان جزر المحيط الهادئ". "بسبب الارتفاع-Qالعامل واللاخطية، فهي مثالية لمجموعة واسعة من التطبيقات مثل -أشعة الليزر ذات العرض الخطي الضيق عبر تشتيت Brillouin وRaman المحفز، وتوليد مشط التردد لعلم القياس والاتصالات، أو معالجة المعلومات الكمومية حيث لا تكون الخسارة المنخفضة-في مكونات-الرقاقة قابلة للتفاوض."
والآن بعد أن أثبتت مجموعة بارك إمكانات الخسارة المنخفضة-للنظام الأساسي (خسارة امتصاص تبلغ 0.43 ديسيبل/م)، فإنهم يتطلعون إلى الحد الأقصى للخسارة. "نحن نعمل أيضًا على توسيع أدلة الموجات بشكل أكبر للتحرك نحو الأداء "المادي-المحدود"، والذي من المحتمل أن يدفعنا إلى الأمامQ-عوامل أعلى وتمكين تفاعلات غير خطية أكثر كفاءة،" كما يقول.
مزيد من القراءة
