Foto: AI/ScienceDaily.com

Úvod do nového objevu

Vědci z University of Colorado v Boulderu navrhli mikroskopické „závodní dráhy“, které zachycují a zesilují světlo s výjimečnou účinností. Díky použití hladkých křivek inspirovaných inženýrstvím dálnic snížili energetické ztráty a udrželi světlo cirkulující déle uvnitř zařízení. Vyrobené s přesností na subnanometr, tyto rezonátory patří mezi nejlepší výkony vyrobené z chalkogenidového skla. Tato technologie by mohla vést k vývoji kompaktních senzorů, mikrolaserů a pokročilých kvantových systémů.

Autor původního článku: redakce

Význam a aplikace mikrorezonátorů

Vědci z CU Boulder vyvinuli vysoce účinné optické mikrorezonátory, které by mohly podpořit novou generaci výkonných senzorových technologií. Mikrorezonátor je mikroskopická struktura navržená k udržení světla v malém prostoru. Jak světlo cirkuluje uvnitř, jeho intenzita se zvyšuje. Když tato intenzita dosáhne dostatečné úrovně, vědci mohou provádět specializované optické procesy, které umožňují snímání a další pokročilé funkce.

„Naše práce spočívá v používání menší optické energie s těmito rezonátory pro budoucí využití,“ řekl Bright Lu, čtvrtý ročník doktorandského studia v oboru elektrotechniky a počítačového inženýrství a hlavní autor studie. „Jednoho dne mohou být tyto mikrorezonátory přizpůsobeny pro širokou škálu senzorů od navigace po identifikaci chemikálií.“ Výzkum byl publikován v časopise Applied Physics Letters.

Design závodní dráhy a snížení ztrát světla

Aby dosáhli lepšího výkonu, tým se zaměřil na „závodní dráhy“ rezonátorů, které jsou pojmenovány podle svého podlouhlého tvaru smyčky připomínajícího běžeckou dráhu. Zahrnuli „Eulerovy křivky“ – typ hladké křivky také nalezené v návrhu silnic a železnic. Stejně jako vozidla nemohou navigovat náhlé pravé úhly při rychlosti, světlo necestuje efektivně přes ostré zatáčky.

„Tyto závodní křivky minimalizují ztráty ohybem,“ řekl Won Park, Sheppard profesor elektrotechniky a spoluautor projektu. „Naše volba designu byla klíčovou inovací tohoto projektu.“

Řízením světla přes postupné, pečlivě navržené křivky vědci významně omezili množství světla, které uniklo. To umožnilo fotonům cirkulovat déle uvnitř rezonátoru a intenzivněji interagovat. Lu vysvětlil, že nadměrná ztráta světla brání zařízení dosáhnout vysokých intenzit potřebných pro optimální provoz.

Přesná nanofabrikace v COSINC

Mikrorezonátory byly vyrobeny v čisté místnosti Colorado Shared Instrumentation in Nanofabrication and Characterization (COSINC) pomocí nového systému elektronové litografie. Taková zařízení udržují přísně kontrolované podmínky, které jsou nezbytné pro výrobu spolehlivých zařízení na extrémně malých škálách. Mnoho optických a fotonických komponent je menších než šířka listu papíru, takže i malé prachové částice nebo drobné povrchové nedokonalosti mohou ovlivnit, jak světlo prochází skrze ně.

„Tradiční litografie používá fotony a je zásadně omezena vlnovou délkou světla,“ řekl Lu. „Avšak elektronová litografie nemá takové omezení. S elektrony můžeme realizovat naše struktury s subnanometrovým rozlišením, což je pro naše mikrorezonátory kritické.“

Lu popsal proces výroby jako jednu z nejuspokojivějších částí projektu. „Čisté místnosti jsou prostě skvělé. Pracujete s těmito masivními, přesnými stroji a pak vidíte obrázky struktur, které jste vytvořili jen mikrony široké. Přeměna tenkého filmu skla na funkční optický obvod je opravdu uspokojující.“

Chalkogenidové sklo a jeho výhody

Významným milníkem pro tým bylo úspěšné sestavení zařízení pomocí chalkogenidů, rodiny specializovaných polovodičových skel. „Tyto chalkogenidy jsou vynikající materiály pro fotoniku díky své vysoké průhlednosti a nelinearitě,“ řekl Park. „Naše práce představuje jeden z nejlepších výkonů zařízení používajících chalkogenidy, ne-li nejlepší.“

Chalkogenidy umožňují intenzivní světlo procházet s minimálními ztrátami, což je pro vysoce výkonné mikrorezonátory zásadní. Zároveň jsou to náročné materiály na zpracování, vyžadující pečlivou rovnováhu během výroby.

„Chalkogenidy jsou obtížné, ale odměňující materiály pro provoz fotonických nelineárních zařízení,“ řekla profesorka Juilet Gopinath, která s Parkem na tomto projektu spolupracuje více než 10 let. „Naše výsledky ukázaly, že minimalizace ztrát ohybem umožňuje ultra nízké ztráty zařízení srovnatelné se špičkovými v jiných materiálových platformách.“

Testování laserem a měření rezonance

Po výrobě byla zařízení hodnocena pod vedením Jamese Eriksona, doktoranda fyziky, který se specializuje na měření založená na laserech. Přesně zarovnal lasery s mikroskopickými vlnovody, aby poslal světlo do a z rezonátorů a sledoval jeho chování uvnitř. Tým hledal „poklesy“ v přenášeném světelném signálu, které indikují rezonanci, k níž dochází, když se fotony zachytí a cirkulují uvnitř struktury.

„Nejzřetelnějším indikátorem kvality zařízení je tvar rezonancí a chceme, aby byly hluboké a úzké, jako jehla pronikající signálovým pozadím,“ řekl Erikson. „Tento druh rezonátoru jsme hledali dlouho a když jsme viděli ostré rezonance na tomto novém zařízení, věděli jsme hned, že jsme konečně prolomili kód.“

Erikson poznamenal, že pochopení, kolik světla je absorbováno ve srovnání s tím, kolik je přeneseno, je pro výkon zařízení kritické. Zvyšování výkonu laseru může způsobit zahřívání, což může změnit vlastnosti materiálu nebo dokonce poškodit zařízení.

„Způsob, jakým většina materiálů interaguje se světlem, se také mění v závislosti na teplotě materiálu,“ řekl Erikson. „Takže jak se zařízení zahřívá, jeho vlastnosti se mohou změnit a způsobit, že bude fungovat jinak.“

Budoucí aplikace a možnosti

Do budoucna by tyto mikrorezonátory mohly být použity k vytvoření kompaktních mikrolaserů, vysoce citlivých chemických a biologických senzorů a nástrojů pro kvantovou metrologii a síťování. „Mnoho fotonických komponentů od laserů, modulátorů a detektorů se vyvíjí a mikrorezonátory jako naše pomohou všechny tyto části spojit,“ řekl Lu. „Nakonec je cílem postavit něco, co byste mohli předat výrobci a vytvořit stovky tisíc z nich.“