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Jul 26, 2023

Un séparateur non linéaire ultrarapide et très performant à base de niobate de lithium

Article du 12 août 2022 d'Ingrid Fadelli , Tech Xplore Optics, des technologies qui exploitent le comportement et les propriétés de la lumière, sont à la base de nombreux outils technologiques existants, notamment la fibre.

Article du 12 août 2022

par Ingrid Fadelli , Tech Xplore

L'optique, technologies qui exploitent le comportement et les propriétés de la lumière, est à la base de nombreux outils technologiques existants, notamment les systèmes de communication par fibre optique qui permettent une communication à haut débit sur de longues et courtes distances entre des appareils. Les signaux optiques ont une grande capacité d’information et peuvent être transmis sur de plus longues distances.

Des chercheurs du California Institute of Technology ont récemment développé un nouveau dispositif qui pourrait aider à surmonter certaines limites des systèmes optiques existants. Ce dispositif, présenté dans un article publié dans Nature Photonics, est un dispositif à base de niobate de lithium capable de commuter des impulsions lumineuses ultracourtes à une énergie d'impulsion optique extrêmement faible de plusieurs dizaines de femtojoules.

"Contrairement à l'électronique, l'optique manque encore d'efficacité dans les composants requis pour le calcul et le traitement du signal, ce qui constitue un obstacle majeur à la libération du potentiel de l'optique pour des schémas informatiques ultrarapides et efficaces", a déclaré Alireza Marandi, chercheur principal de l'étude, à Phys.org. . "Au cours des dernières décennies, des efforts considérables ont été consacrés au développement de commutateurs entièrement optiques susceptibles de relever ce défi, mais la plupart des conceptions économes en énergie souffraient de temps de commutation lents, principalement parce qu'elles utilisaient des résonateurs à Q élevé ou des porteurs. non-linéarités basées sur "

L'objectif principal de l'étude récente menée par Marandi et ses collègues était d'exploiter la non-linéarité inhérente du niobate de lithium pour développer un commutateur optique hautement performant. Ils voulaient que ce commutateur soit ultrarapide (de l'ordre de la femtoseconde) et fonctionne dans un régime d'énergie ultra-basse (c'est-à-dire femtojoule).

Lors de la conception de leur dispositif, les chercheurs n’ont intégré aucun résonateur. Au lieu de cela, ils ont introduit deux éléments clés qui ont amélioré les performances de commutation de leur appareil, à la fois en termes de consommation d'énergie et de vitesse.

"Tout d'abord, nous utilisons le confinement spatio-temporel de la lumière dans des nanoguides d'ondes pour améliorer les interactions non linéaires, car la force des processus paramétriques non linéaires dépend de l'intensité maximale", a déclaré Marandi. "Ce confinement spatio-temporel a été possible dans le niobate de lithium nanaophotonique en raison de la section transversale nanométrique des guides d'ondes et de la possibilité d'ingénierie de dispersion, qui permet aux impulsions femtosecondes de rester courtes lorsqu'elles se propagent à travers le guide d'ondes nanométrique."

La deuxième caractéristique du dispositif créé par Marandi et ses collègues est que la quasi-adaptation de phase de ses interactions non linéaires a été conçue. Plus précisément, l’équipe a conçu et modifié l’orientation cristallographique du niobate de lithium le long de ses nanoguides d’ondes.

"Nous utilisons un motif périodique avec un défaut artificiel au milieu, qui fait passer de manière déterministe le processus non linéaire de la génération de seconde harmonique (SHG) à l'amplification paramétrique optique (OPA)", Qiushi Guo, chercheur postdoctoral et auteur principal de l'article. expliqué. "En ajoutant un coupleur sélectif en longueur d'onde avant ce défaut, puisque les impulsions d'entrée à faible énergie ne conduisent pas à un SHG efficace dans la première moitié du guide d'onde, elles seront abandonnées par le coupleur linéaire. Cependant, les impulsions à haute énergie conduisent à un SHG efficace. avant le coupleur et ne sera donc pas abandonné par le coupleur, car l'énergie d'entrée sera stockée dans la longueur d'onde de deuxième harmonique de l'entrée. Après le défaut, le processus OPA ramène le signal à la longueur d'onde d'entrée.

Lors des premières évaluations, les chercheurs ont découvert que leur conception permettait une commutation entièrement optique ultrarapide, tout en consommant seulement quelques femtojoules d'énergie. Plus précisément, leur dispositif a atteint des énergies de commutation ultra-faibles jusqu'à 80 fJ, avec un temps de commutation le plus rapide d'environ 46 fs et un produit énergie-temps le plus faible de 3,7 × 10−27 J s en photonique intégrée.