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

Jan 12, 2024

Recurso de 12 de agosto de 2022

por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

A óptica, tecnologias que aproveitam o comportamento e as propriedades da luz, é a base de muitas ferramentas tecnológicas existentes, principalmente sistemas de comunicação por fibra que permitem comunicação de alta velocidade de longa e curta distância entre dispositivos. Sinais ópticos têm alta capacidade de informação e podem ser transmitidos por 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 baseado em 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, à Phys.org . "Nas últimas décadas, esforços substanciais foram dedicados ao desenvolvimento de comutadores totalmente ópticos que pudessem enfrentar esse desafio, mas a maioria dos projetos com eficiência energética sofria de tempos de comutação lentos, principalmente porque usavam ressonadores de alto Q ou portadores 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 essa chave fosse ultrarrápida (na faixa de femtossegundos) e operasse no regime de energia ultrabaixo (isto é, 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 de pico", disse Marandi. “Esse confinamento espaço-temporal foi possível no niobato de lítio nanaofotônico 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 quase-fase de suas interações não lineares foi projetada. Mais especificamente, a equipe projetou e alterou 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 muda de forma determinística o processo não linear da geração de segundo harmônico (SHG) para a 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 ondas, 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 comutação totalmente óptica ultrarrápida, consumindo apenas femtojoules de energia. Especificamente, seu dispositivo alcançou energias de comutação ultrabaixas de até 80 fJ, apresentando um tempo de comutação mais rápido de ~ 46 fs e um produto de energia-tempo mais baixo de 3,7 × 10−27 J s em fotônica integrada.