Mae'r tonfeddi laser sydd eu hangen ar gyfer llawer o arbrofion mwyaf diddorol heddiw, yn enwedig o fewn yr ystod weladwy, yn her i ddod o hyd i gylchedau integredig ffotonig bach (PICs). Ond mae ymchwilwyr ffotoneg Sefydliad Cenedlaethol Safonau a Thechnoleg yr Unol Daleithiau (NIST) a chydweithwyr yn Octave Photonics yn arwain datrysiad i'r mater mynediad tonfedd hwn-a hefyd yn mynd i'r afael â heriau i uno gwahanol swyddogaethau ffotonig i gefnogi newid optegol, llwybro a hidlo.
Un dull cyffredin heddiw yw cyfuno gwahanol ddeunyddiau ffotoneg i geisio galluogi'r gwahanol swyddogaethau hyn a chryfderau trosoledd lle maent yn bodoli, ond ni all unrhyw ddeunydd unigol ei wneud o gwbl ar y graddfeydd a ddymunir ar gyfer maes cymwysiadau newydd.
"Cafodd ein gwaith ei ysbrydoli gan y nod aruchel o gyflawni 'unrhyw laserau tonfedd', gyda chydnawsedd uniongyrchol â thechnolegau ffotonig presennol," meddai Grant M. Brodnik, ffisegydd yn NIST's Quantum a Nonlinear Nanophotonics Group. "Ac fe wnaethom ddangos swyddogaethau eraill fel cribau amledd a chynhyrchu supercontinuum, oherwydd bod y platfform yn eu cefnogi'n uniongyrchol. Mae'r galluoedd hyn yn chwarae rhan allweddol mewn llawer o gymwysiadau pwysig."
Diolch yn fawr, opteg aflinol
Er mwyn cyrraedd y cyflymder y mae deallusrwydd artiffisial (AI) a chymwysiadau cwantwm yn galw amdano, mae symud o electronau i ffotonau yn hollbwysig-ac felly hefyd laserau “unrhyw donfedd” graddfa sglodion.
Esboniad byr o ddull newydd y tîm: Mae'n dechrau gyda wafer silicon safonol wedi'i orchuddio â silicon deuocsid (gwydr) a lithiwm niobate, deunydd aflinol a all newid lliw golau sy'n mynd i mewn iddo. Mae ychwanegu metel yn galluogi'r lithiwm niobate i gael ei ddeialu'n drydanol ar gyfer trosi un lliw golau i liwiau eraill. Gall rhyngwynebau metel lithiwm niobate tebyg ganiatáu troi golau ymlaen/diffodd yn gyflym (meddyliwch am -gyfeiriad cyflym a phrosesu data).
Mae adneuo patrymau cymhleth o pentocsid tantalwm, aka tantala, yn uniongyrchol ar ben y cylchedau ffotonig eraill yn caniatáu i lwyfannau ffotonig amlbwrpas weithredu ar y cyd. Mae Tantala yn ddeunydd aflinol cryf ac mae'n addas iawn ar gyfer gweithrediad tonfedd gweladwy. "Yn hollbwysig, mae ganddo briodweddau deunydd apelgar (yn ymwneud â'i wneuthuriad) sy'n ei gwneud yn hawdd ei integreiddio'n uniongyrchol â deunyddiau ffotonig eraill," meddai Brodnik.
Pan batrymodd yr ymchwilwyr y deunyddiau ar ben ei gilydd mewn pentwr 3D, yn y diwedd cawsant un sglodyn sy'n llwybro golau yn effeithlon rhwng yr haenau. Mae'r sglodyn hwn yn cyfuno galluoedd trin golau tantala â gallu lithiwm niobate i'w reoli.
Opteg aflinol yw'r ffiseg "nid{0}}felly-y saws cyfrinachol" y maent yn ei ddefnyddio "i wneud lliwiau cwbl newydd o olau allan o'r un lliw rydyn ni'n ei roi ynddo," eglura Brodnik. "Os ydych chi'n tynnu llun gyda chamera, nid ydych chi'n disgwyl i liwiau'r ddelwedd newid wrth basio trwy lens. Ond gyda deunyddiau aflinol â phwerau optegol uchel yn cael eu darparu gan laserau, dyna'n union beth sy'n digwydd. Mae'n dechneg allweddol sy'n pweru laserau bwrdd sy'n gwneud llawer o liwiau arferol heddiw. Rydym yn defnyddio'r technegau hyn-ond gyda chylchedau ffotonig o fewn dyfeisiau llai na maint y reis."
Agwedd oeraf y gwaith hwn i Brodnik yw gweld "lliwiau golau newydd, sy'n aml yn ddisglair yn dod allan o'n dyfeisiau rhag trosi'r golau mewnbwn (sy'n anweledig i'n llygaid)," meddai. "Yn y labordy, gyda sglodyn yn eistedd ar lwyfan prawf, rydyn ni'n deialu paramedrau'r llawdriniaeth yn araf ac, mae ffyniant, gwyrdd glas bywiog yn dechrau disgleirio ar draws y sglodyn. Ar y ddyfais nesaf, rydyn ni'n ei wneud yn las-fioled. Mae'n teimlo ychydig fel hud."
Mae eu gwaith "yn gosod y sylfaen ac yn dangos potensial y llwyfan," meddai Brodnik. “Byddwn yn sicr yn gweithio i optimeiddio perfformiad dyluniadau presennol, ond mae’r platfform yn datgloi ymarferoldeb a nobiau dylunio newydd rydyn ni’n gyffrous i’w harchwilio.”
Mae llawer o gymwysiadau sy'n cynnwys rhyngwynebu â thrawsnewidiadau atomig-meddwl synhwyro cwantwm a chyfrifiadura-angen golau ar donfeddi sy'n rhychwantu'r bandiau tonnau isgoch gweladwy ac agos-. “Gall ceisiadau sydd angen llwybro a throi golau ymlaen / i ffwrdd yn gyflym, fel prosesu data optegol a chyfrifiadura, elwa o’r platfform hefyd trwy drosoli swyddogaethau ffiseg eraill y mae’r deunyddiau’n eu darparu,” meddai Brodnik. "Efallai bod technoleg arddangos defnyddwyr yn gymhwysiad arall. Yn sicr, mae yna lawer mwy o rai nad ydyn ni hyd yn oed wedi meddwl amdanyn nhw, sydd nawr yn gallu cael eu hystyried a'u datblygu gan y gymuned wyddonol."
Mae gan y tîm “llond llaw o bensaernïaeth ffotonig gyffrous sydd mewn camau dylunio ar hyn o bryd, sy'n gofyn am lu o alluoedd y mae ein platfform yn eu cefnogi,” meddai Brodnik. "Rydym hefyd yn gyffrous i gydweithio â chydweithwyr ac ymchwilwyr eraill sydd wedi bod yn dod â syniadau a chymwysiadau newydd i ni nad ydym efallai wedi'u hystyried neu angen arbenigedd ar y cyd i'w dilyn. Cyfnod cyffrous."
